Faits: A. Le territoire de la commune de Gilly est régi par le règlement communal sur le plan général d'affectation et la police des constructions (ci-après: le règlement communal) approuvé par le Conseil d'Etat le 18 décembre 1992. Le vieux village de Gilly est colloqué en zone village. En dessus de la route qui borde le village au nord s'étend le vignoble, quadrillé par des chemins viticoles et classé en zone viticole; toutefois, l'un des quadrilatères délimité par ces chemins, attenant au village, est colloqué en zone village également. La bande médiane de ce quadrilatère est en pente descendant vers le sud. Morcelée, elle est occupée par les constructions suivantes. Au sommet de cette bande se trouve, sur la parcelle 687, la villa de A._ et D._, construite dans les années 1970, qui surplombe les parcelles contiguës situées au sud en bordure du village. En contre-bas de cette parcelle, du côté est, ont été construites au milieu des années 1990 deux villas légèrement décalées et distantes entre elles de 11 m à l'origine. Elles ont ensuite été reliées entre elles par un élément de construction bas. L'ensemble est aujourd'hui constitué au registre foncier de deux parcelles distinctes dont la limite traverse la construction basse. A l'ouest de ces villas se trouve la parcelle 741 appartenant à B._ et C._, d'une surface de 798 m2, sur laquelle est érigé un bâtiment portant le n° ECA 415. Construite dans les années 1970, cette maison comporte une partie inférieure qui était à l'origine un hangar pour les cars postaux, d'où les hautes portes articulées, vitrées dans leur partie supérieure, qui s'ouvrent au sud sur une place bétonnée attenante à la route. Ce rez-de-chaussée est surmonté de l'habitation proprement dite. Au nord du bâtiment, les époux B._ et C._ ont emménagé une terrasse. B. Du 10 janvier au 8 février 2009, les époux B._ et C._ ont mis à l'enquête publique un projet de transformation et d'agrandissement du bâtiment ECA n° 415. Le projet consiste à ajouter un nouvel élément au nord et au sud de la villa existante. Au sud, la nouvelle construction masque une partie de la façade actuelle. Au rez inférieur, les deux nouveaux garages communiquent avec l'ancien hangar par les ouvertures existantes tandis que la troisième des hautes portes subsiste pour donner au hangar un accès sur l'extérieur. Au rez supérieur est aménagé un appartement de deux pièces, accessible par un escalier extérieur. Au nord, le nouvel élément comporte une cave et communique avec la construction actuelle au niveau du rez supérieur. Il abrite à ce niveau la cuisine-salle à manger du logement principal. A l'étage se trouvent deux chambres avec WC douche. Un escalier situé dans la partie centrale communique avec les combles, éclairées par deux velux et désignés comme "salle de jeu" sur les plans. C. Ce projet a suscité l'opposition de A._, selon lequel la construction envisagée ne respectait pas l'ordre non contigu imposé par la réglementation communale, pas plus que les règles au sujet de la hauteur des bâtiments. Par décision du 3 mars 2009, la municipalité de Gilly (ci-après: la municipalité) a levé l'opposition précitée et délivré le permis de construire sollicité. Elle a notamment considéré, pour l'extension de l'appartement au nord, que la question de la contiguïté était réglée car le projet prévoyait une liaison fonctionnelle entre les constructions; quant au second appartement à entrée indépendante, sa conception et son utilisation future étaient intrinsèquement liées à la maison-mère. Après avoir procédé à une inspection locale, la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal vaudois (ci-après: le Tribunal cantonal) a rejeté le recours de A._ et confirmé la décision précitée, par arrêt du 30 septembre 2009. D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal cantonal du 30 septembre 2009 ainsi que la décision de la municipalité du 3 mars 2009. Il se plaint d'une interprétation et d'une application arbitraires des art. 7 à 9 du règlement communal, s'agissant de la notion de non-contiguïté, ainsi que d'une application arbitraire des art. 10 et 58 du règlement relatifs à la hauteur des bâtiments et son mode de calcul. Le Tribunal cantonal et la municipalité concluent au rejet du recours. Les intimés concluent au rejet du recours dans la mesure où il est recevable.