Sachverhalt: A. Der chinesische Staatsangehörige X._ (geb. 1978) reiste am 23. August 1998 in die Schweiz ein und erhielt eine Aufenthaltsbewilligung als Hotelfachschüler für den Kanton Luzern, die letztmals bis zum 31. August 2002 verlängert wurde. Am 28. Oktober 2002 heiratete er eine 23 Jahre ältere Schweizer Bürgerin. Nach seiner Anmeldung in Y._/ZH, dem Wohnort seiner Ehefrau, wurde ihm die Aufenthaltsbewilligung zum Verbleib bei seiner Ehegattin (letztmals verlängert bis zum 27. Oktober 2007) erteilt. B. Am 30. August 2007 ersuchte X._ um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung bzw. um Erteilung der Niederlassungsbewilligung. Mit Verfügung vom 7. Januar 2008 wies das Migrationsamt des Kantons Zürich das Gesuch ab mit der Begründung, X._ habe sich in rechtsmissbräuchlicher Art auf die seit Jahren nur noch formell bestehende Ehe berufen und sich auf diese Weise die Verlängerung der Bewilligung erschlichen, weshalb ein Widerrufsgrund bestehe. Den dagegen erhobenen Rekurs wies der Regierungsrat mit Beschluss vom 17. Dezember 2008 ab mit der Begründung, es handle sich um eine Scheinehe. Gegen den Regierungsratsbeschluss beschwerte sich X._ ohne Erfolg beim Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, das ebenfalls vom Vorliegen einer Scheinehe ausgeht. C. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 29. Oktober 2009 beantragt X._, den Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 26. August 2009 aufzuheben und dem Beschwerdeführer die Niederlassungsbewilligung zu erteilen, eventualiter die Aufenthaltsbewilligung zu verlängern. D. Die Staatskanzlei des Kantons Zürich, im Auftrag des Regierungsrates, sowie das Bundesamt für Migration schliessen auf Abweisung der Beschwerde. Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich beantragt, die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.