Faits: A. Le 2 juin 2003, L._ a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité tendant à l'octroi d'une rente. L'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: office AI) a chargé la doctoresse G._ d'une expertise. A titre de diagnostics avec incidence sur la capacité de travail, celle-ci a retenu une gonarthrose gauche avancée post-traumatique, des lombosciatalgies gauches résiduelles après hernie discale L4-L5 gauche foraminale et des cervicalgies avec discret syndrome cervical sur cervicarthrose étagée; elle a par ailleurs conclu que l'assuré était incapable de reprendre son ancienne activité de maçon depuis décembre 2002, mais qu'une activité légère semi-sédentaire était exigible à un taux de 80 % sur le plan somatique (rapport du 21 avril 2005). Le 16 novembre 2006, L._ a subi une intervention chirurgicale (ostéotomie correctrice du tibia proximal gauche). Dans un rapport du 10 juillet 2007, le docteur A._, médecin adjoint à l'Hôpital X._, chargé de l'opération, a retenu un état de santé stationnaire et diagnostiqué des séquelles de fracture du tibia proximal gauche, une gonarthrose interne gauche, un status après ostéotomie de flexion valgisation gauche et une obésité; à son avis, une réorientation professionnelle dans une activité adaptée était imaginable, mais il lui semblait douteux que la capacité de travail de l'intéressé dépassât les 50 %. Chargé par l'office AI de se prononcer sur le dossier, le docteur I._ du Service médical régional AI (ci-après: SMR) a indiqué que l'intervention d'ostéotomie du tibia ne s'était pas compliquée, si bien qu'elle ne pouvait être source d'un empêchement durable dans une activité adaptée (avis du 12 septembre 2007). Par décision du 12 septembre 2007, l'office AI a nié le droit de l'assuré à une rente d'invalidité. B. Par jugement du 16 juin 2009, le Tribunal cantonal, Cour des assurances sociales, du canton de Vaud a rejeté le recours formé par l'intéressé contre cette décision. C. L._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement. Il conclut principalement à sa réforme, en ce sens que lui soient allouées une rente d'invalidité, dont le taux devra être déterminé en fonction d'une expertise médicale dont il demande la mise en oeuvre à titre préliminaire, ainsi que des mesures de réadaptation professionnelle. Subsidiairement, il requiert le renvoi de la cause à l'office AI, pour complément d'instruction sous la forme d'une expertise somatique. L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.