Faits : A. A.a. X._, né en 1970 et originaire d'Algérie, est entré illégalement en Suisse en 2004. A la suite de son mariage, le 8 septembre 2008, avec la ressortissante suisse Y._, il a obtenu une autorisation de séjour valable jusqu'au 7 septembre 2009. Aucun enfant n'est issu de cette union. A.b. Après environ une année de mariage, la vie commune du couple a pris fin. Le 25 septembre 2009, Y._ a déposé une requête de mesures protectrices de l'union conjugale devant le Tribunal d'arrondissement de l'Est vaudois (ci-après: le Tribunal d'arrondissement), dans laquelle elle concluait notamment à l'autorisation de vivre séparée de son époux et à l'attribution du domicile conjugal. L'arrêt attaqué n'indique pas quelle suite a été donnée à cette requête. Le 30 avril 2010, l'avocat représentant alors X._ a communiqué au Service de la population du canton de Vaud (ci-après: le Service cantonal) que les époux avaient repris la vie commune. Le 21 février 2011 (art. 105 al. 2 LTF), Y._ a écrit au Service cantonal, en indiquant qu'elle souhaitait se séparer "définitivement" de son mari, en raison d'une situation conflictuelle persistante au sein du couple. X._ s'est apparemment constitué un domicile séparé en date du 3 avril 2011. Dès le 1 er juillet 2011, les époux ont fait à nouveaux ménage commun, jusqu'à la séparation définitive, intervenue le 2 octobre 2012. A.c. Le 23 avril 2013, Y._ a déposé une deuxième requête de mesures protectrices de l'union conjugale devant le Tribunal d'arrondissement. Le 22 juillet 2013, la Présidente dudit Tribunal a autorisé les époux à vivre séparés et attribué le domicile conjugal à Y._. B. B.a. Par décision du 9 juillet 2010, le Service cantonal a révoqué l'autorisation de séjour de X._. Le 26 octobre 2010, la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal) a admis partiellement le recours formé par X._ contre la décision précitée et renvoyé la cause au Service cantonal pour instruction complémentaire. Le 7 décembre 2010, après avoir constaté que les époux vivaient ensemble, le Service cantonal a octroyé à X._ une nouvelle autorisation de séjour, qu'il a régulièrement renouvelée jusqu'en 2014 (art. 105 al. 2 LTF). B.b. Le 25 février 2014, après avoir donné à l'intéressé la possibilité d'exercer son droit d'être entendu, le Service cantonal a révoqué l'autorisation de séjour de X._ et refusé de lui octroyer une autorisation d'établissement. Par arrêt du 23 octobre 2014, le Tribunal cantonal a rejeté le recours formé par X._ contre la décision précitée, qu'il a confirmée. C. A l'encontre de l'arrêt du 23 octobre 2014, X._ dépose un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral. Il conclut, sous suite de frais et dépens, à l'annulation de l'arrêt querellé et au renvoi de la cause au Tribunal cantonal pour nouvelle décision dans le sens des considérants. Il sollicite en outre le bénéfice de l'assistance judiciaire. Le Service cantonal et le Tribunal cantonal renoncent à se déterminer, alors que le Secrétariat d'Etat aux migrations conclut au rejet du recours. Le recourant a répliqué. Par ordonnance présidentielle du 21 novembre 2014, l'effet suspensif a été accordé au recours.