Faits: A. T._, née au Portugal et domiciliée en Suisse, a travaillé en qualité de polisseuse dans une manufacture de cadrans jusqu'au 16 août 2004, date à partir de laquelle elle a été mise en arrêt de travail total en raison de lombalgies chroniques. Le 4 juillet 2005, elle a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité. Entre autres mesures d'instruction, l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Neuchâtel (ci-après: l'office AI) a soumis l'assurée à une expertise auprès du Centre d'expertise médicale à Y._ (CEMed), une première fois en avril 2006 (rapport du 26 mai 2006, complété le 22 septembre 2006) - soit un peu plus d'un mois après une intervention chirurgicale à la main droite (résection de la première rangée du carpe droit pour malacie du semi-lunaire) -, puis une seconde fois en octobre 2007. Dans leur rapport du 18 décembre 2007, complété le 6 mai 2008, les docteurs J._, rhumatologue, et L._, psychiatre et psychothérapeute, ont fait état de diagnostics sans répercussion sur la capacité de travail, dont notamment des lombosciatalgies séquellaires à une laminectomie pour hernie discale et canal lombaire étroit, une impotence fonctionnelle douloureuse du poignet droit, un syndrome fibromyalgique et une dysthymie. Ils ont conclu à une capacité de travail entière dans une activité adaptée (port de charges inférieures à 15 kg et changement régulier des positions), le travail exercé précédemment n'étant pas "des plus judicieux". Le 18 juillet 2008, l'office AI a informé l'assurée qu'il comptait lui allouer une demi-rente d'invalidité à partir du 1er août 2005, puis une rente entière du 1er mai 2006 au 31 octobre 2007. Il a considéré qu'elle avait été incapable de travailler à 50 % dans toute activité à l'échéance du délai de carence d'une année, en août 2005, avant que son état de santé ne s'aggrave dès février 2006; en revanche, à partir du 19 octobre 2007, l'intéressée avait retrouvé une capacité de travail entière dans une activité adaptée. T._ ayant contesté cette appréciation, l'office AI a complété son instruction en ce qui concerne notamment une hospitalisation de l'assurée en milieu psychiatrique du 4 au 20 décembre 2007. Le 13 mars 2009, il a rendu deux décisions, par lesquelles il a mis T._ au bénéfice d'une demi-rente d'invalidité à partir du 1er août 2005, puis d'une rente entière du 1er mai 2006 au 31 octobre 2007. B. L'assurée a formé recours devant le Tribunal administratif, Cour des assurances sociales, de la République et canton de Neuchâtel, en concluant principalement à ce que lui soit accordée une rente entière d'invalidité au-delà du 31 octobre 2007 pour une durée indéterminée. Elle a été déboutée par jugement du 2 septembre 2010. C. T._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, dont elle demande l'annulation. Sous suite de frais et dépens, elle conclut principalement à ce que lui soit reconnu le droit à une rente entière d'invalidité à partir du 1er août 2005 "et pour une durée indéterminée, donc également au-delà du 31 octobre 2007". A titre subsidiaire, elle requiert le renvoi de la cause au Tribunal administratif neuchâtelois ou à l'office AI pour la mise en oeuvre d'une nouvelle expertise pluridisciplinaire. L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.