Faits: A. K._, né en 1948, a travaillé en qualité de représentant/chauffeur-livreur depuis 1988 auprès de la société X._ SA. Souffrant notamment d'une coxarthrose à gauche, traitée par une arthroplastie, il a subi des périodes d'incapacité de travail et déposé une demande de prestations de l'assurance-invalidité le 27 juillet 2006. Le 2 octobre 2006, il a repris une activité à 50 % auprès de son employeur. Dans le cadre de l'instruction, l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: office AI) a recueilli les avis des médecins traitants et soumis l'assuré à un examen clinique orthopédique réalisé par le docteur S._ du Service médical régional AI (SMR). Ce praticien a conclu que le métier de chauffeur-livreur, inadapté à l'état de santé de l'assuré, n'était plus exigible qu'à 50 %; en revanche, la capacité de travail de ce dernier était entière dans un travail sédentaire ou semi-sédentaire (sans port de charges supérieures à 15 kg, ni longs déplacements, ni travaux penchés ou en porte-à-faux; rapport du 14 mai 2008). Suivant en partie les conclusions de son confrère, le docteur M._ du SMR a exclu toute capacité de travail dans l'activité habituelle et reconnu une pleine capacité de travail dans une activité adaptée à partir du 2 octobre 2006 (rapport du 22 mai 2008). Par décision du 9 décembre 2008, l'office AI a alloué à l'assuré une rente entière d'invalidité limitée dans le temps, du 1er juillet 2006 au 31 janvier 2007, et nié le droit à une rente au-delà de cette date, dès lors que le taux d'invalidité n'était plus que de 27 % à partir du 2 octobre 2006. B. L'intéressé a déféré cette décision au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales, qui l'a débouté par jugement du 1er juillet 2010. C. K._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il demande l'annulation. Il conclut, sous suite de frais et dépens, au renvoi de la cause au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales, pour instruction complémentaire et nouvelle décision. L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer. 