Fatti: A. A._, cittadino marocchino residente in Italia dal 1999, si è sposato il 24 febbraio 2005 con la cittadina italiana B._, titolare di un permesso di domicilio CE/AELS in Svizzera. Per tale motivo gli è stato rilasciato un permesso di dimora CE/AELS valido fino al 23 febbraio 2010. B. Il 15 settembre 2008, dopo aver fatto interrogare i coniugi, la Sezione dei permessi e dell'immigrazione del Dipartimento delle istituzioni del Cantone Ticino ha revocato il permesso di dimora di A._ e gli ha fissato un termine al 17 ottobre 2008 per lasciare la Svizzera. A sostegno della propria decisione ha rilevato che da tempo i coniugi non convivevano più, motivo per cui era venuto a mancare lo scopo per il quale l'autorizzazione era stata concessa. Su ricorso, la revoca è stata confermata dapprima dal Consiglio di Stato ticinese, il 23 dicembre 2008, e quindi dal Tribunale cantonale amministrativo, il 20 maggio 2009. C. Il 26 giugno 2009 A._ ha presentato dinanzi al Tribunale federale un ricorso in materia di diritto pubblico, con cui chiede di annullare sia la pronuncia del Tribunale amministrativo, sia le decisioni delle istanze precedenti. Lamenta la violazione dell'art. 50 della legge federale sugli stranieri del 16 dicembre 2005 (LStr; RS 142.20) nonché dell'Accordo del 21 giugno 1999 tra la Comunità europea e i suoi Stati membri, da una parte, e la Confederazione Svizzera, dall'altra, sulla libera circolazione delle persone (ALC; RS 0.142.112.681). Chiamati ad esprimersi, il Tribunale cantonale amministrativo si riconferma nelle motivazioni e nelle conclusioni della propria decisione, il Consiglio di Stato si rimette al giudizio del Tribunale federale, mentre la Sezione cantonale dei permessi e dell'immigrazione e l'Ufficio federale della migrazione propongono di respingere il gravame. D. Con decreto presidenziale del 1° luglio 2009 è stata accolta l'istanza di conferimento dell'effetto sospensivo contenuta nel ricorso.