Faits: A. A.a V._ travaillait comme étancheur qualifié auprès de la société X._ SA. Le 20 juin 2002, il a fait une chute sur un chantier et s'est blessé à l'épaule droite. Le 30 juillet 2002, une imagerie par résonance magnétique (IRM) a mis en évidence une déchirure très importante du sus-épineux et une tendinopathie sévère du sous-scapulaire avec une probable déchirure partielle. Après avoir repris son activité à 50 % entre le 8 et le 19 juillet 2002, V._ a été mis en arrêt complet de travail dès le 22 juillet 2002. Il a subi deux interventions chirurgicales, d'abord le 9 septembre 2002 (acromioplastie et suture de la coiffe des rotateurs), puis le 13 janvier 2005. Par décision du 30 octobre 2006 et décision sur opposition du 1er mars 2007, la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (ci-après: la CNA) a alloué à V._ une rente fondée sur un taux d'invalidité de 40 % à compter du 1er août 2006, et une indemnité pour atteinte à l'intégrité de 10 %. A.b Entre-temps, le 4 juillet 2003, le prénommé a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité. L'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI) a fait verser au dossier les rapports médicaux recueillis par la CNA, dont celui de la Clinique Y._ du 19 mai 2004 et ceux de la doctoresse A._, remplaçante du médecin d'arrondissement de la CNA (des 20 juin 2005 et 23 juin 2006). Du 16 janvier au 12 février 2006, V._ a suivi un stage d'observation professionnelle au Centre d'observation professionnelle de l'assurance-invalidité, COPAI (rapport du 28 février 2006). Le 16 mai 2007, l'office AI a informé l'assuré qu'il comptait lui reconnaître le droit à un quart de rente dès le 1er juin 2003, en considérant que sa capacité de travail était entière dans une activité adaptée. V._ a contesté ce point de vue en produisant un rapport du docteur S._, spécialiste FMH en chirurgie orthopédique, qui préconisait une nouvelle intervention opératoire (avis du 23 mars 2007). Par décision du 16 septembre 2008, l'office AI a alloué à l'assuré un quart de rente d'invalidité, fondé sur un degré d'invalidité de 42 %, à partir du 1er juin 2003. B. B.a Saisi d'abord d'un recours de l'assuré contre la décision sur opposition de la CNA du 1er mars 2007, la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois a mandaté le docteur U._, spécialiste FMH en chirurgie orthopédique, pour une expertise. Le médecin a conclu qu'une capacité de travail totale dans un travail léger adapté lui paraissait illusoire et qu'aucune activité professionnelle n'était exigible en l'état avec un rendement suffisant pour être reclassé sur le marché du travail (rapport du 25 juin 2008). Le Tribunal a interpellé le docteur F._, chef du Service d'orthopédie et de traumatologie de la Clinique Z._, notamment sur l'exigibilité d'une intervention chirurgicale pour mettre en place une prothèse de l'épaule inversée. Se déterminant le 7 mai 2009, le médecin n'a pas retenu d'indication à une telle révision chirurgicale. B.b V._ a également déféré la décision de l'office AI du 16 septembre 2008 à la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal, en se référant à l'expertise du docteur U._ pour conclure principalement à l'octroi d'une rente entière d'invalidité. Par jugement du 2 juillet 2010, le Tribunal a partiellement admis le recours et réformé la décision administrative en ce sens que le recourant a droit à une demi-rente d'invalidité, basée sur un taux d'invalidité de 54 %, dès le 1er juin 2003. C. V._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement. Il en demande la réforme et conclut, en substance, à la reconnaissance de son droit à une rente entière d'invalidité à partir du 1er juin 2003. A titre subsidiaire, il conclut à l'annulation du jugement cantonal et au renvoi de la cause au Tribunal cantonal vaudois pour complément d'instruction et nouvelle décision. L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.