Fatti: A. In seguito al suo matrimonio celebrato nel suo Paese d'origine il 18 dicembre 2004 con la cittadina svizzera B._ (1966), A._ (1972), cittadino dominicano, è entrato in Svizzera l'11 giugno 2005 (dopo che fosse stato revocato il divieto d'entrata pronunciato nei suoi confronti nel 2004 per soggiorno illegale, valido fino al 6 ottobre 2006) ed è stato posto al beneficio di un permesso di dimora, regolarmente rinnovato, l'ultima volta fino al 10 giugno 2009. B. Sentita il 14 novembre 2009 dalla Polizia cantonale in merito alla sua situazione matrimoniale, B._ ha dichiarato che non vi era più vita coniugale da circa due anni e che era intenzionata a divorziare. Interrogato a sua volta il 19 novembre successivo, A._ ha, da parte sua, affermato in particolare che il rapporto con la moglie era buono e che non era al corrente di problemi matrimoniali. Sulla base di queste dichiarazioni la Sezione dei permessi e dell'immigrazione (ora: Sezione della popolazione) del Dipartimento delle istituzioni del Cantone Ticino ha negato, il 9 dicembre 2009, il rinnovo del permesso di dimora a A._ e gli ha fissato un termine scadente il 31 gennaio 2010 per lasciare la Svizzera. A sostegno della propria decisione, l'autorità preposta ha rilevato che siccome il matrimonio esisteva oramai solo sulla carta, era venuto a mancare lo scopo per il quale l'autorizzazione era stata concessa. La decisione è stata confermata su ricorso dapprima dal Consiglio di Stato il 14 aprile 2010 e, successivamente, dal Tribunale cantonale amministrativo, con sentenza del 3 settembre 2010. C. Nel frattempo, cioè il 17 gennaio 2010, A._ ha lasciato l'appartamento coniugale. D. L'8 ottobre 2010 A._ ha inoltrato dinanzi al Tribunale federale un ricorso in materia di diritto pubblico, con cui chiede che la sentenza cantonale sia annullata e la causa rinviata all'autorità precedente per nuovo giudizio. Censura in sostanza la violazione degli art. 8 e 9 Cost., 42 e 50 della legge federale sugli stranieri del 16 dicembre 2005 (LStr; RS 142.20), 77 dell'ordinanza sull'ammissione, il soggiorno e l'attività lucrativa del 24 ottobre 2007 (OASA; RS 142.201) nonché 8 CEDU. Chiamato ad esprimersi, il Tribunale cantonale amministrativo si è riconfermato nelle motivazioni e nelle conclusioni della propria sentenza. Ad essa ha fatto rinvio anche l'Ufficio federale della migrazione. Il Consiglio di Stato si è invece rimesso al giudizio di questa Corte, mentre la Sezione della popolazione non si è espressa. E. Con decreto presidenziale del 12 ottobre 2010 è stato concesso l'effetto sospensivo al gravame. F. Il 3 marzo 2011 il ricorrente ha presentato una replica in cui ha ribadito i propri argomenti nonché ha inviato a questa Corte un nuovo documento.