Fatti:
A. A.a Lamentando le conseguenze di un infortunio subito alla mano destra nel 1992, F._, già attivo professionalmente come disegnatore del genio civile, il 29 agosto 2000 ha presentato una domanda di prestazioni AI.
Esperiti i propri accertamenti, l'Ufficio AI del Cantone Ticino (UAI) ha respinto la richiesta per carenza di invalidità di grado pensionabile (decisione del 18 aprile 2002).
F._ ha impugnato il provvedimento amministrativo presso il Tribunale delle assicurazioni del Cantone Ticino, il quale, con pronuncia del 5 febbraio 2003, ha respinto il gravame, trasmettendo tuttavia nel contempo gli atti all'UAI per esame riferito al periodo posteriore alla data della decisione in lite 18 aprile 2002.
A.b Esperiti i necessari accertamenti e preso in particolare atto delle risultanze di una perizia psichiatrica nella quale veniva attestata una incapacità lavorativa del 50%, l'UAI, con decisioni del 13 ottobre 2004, ha posto l'interessato al beneficio di un quarto di rendita (grado del 41%) per il periodo dal 1° dicembre 2002 al 28 febbraio 2003 e di una mezza rendita (grado del 50%) dal 1° marzo 2003. L'UAI ha confermato tale posizione il 9 settembre 2005 anche in seguito all'opposizione interposta da F._.
Ulteriormente adito dall'assicurato, il Tribunale cantonale delle assicurazioni ha annullato la decisione su opposizione querelata e rinviato gli atti all'UAI per accertare la capacità lavorativa globale dell'interessato, tenendo conto sia della problematica alla mano destra, sia della patologia psichica, e statuire di nuovo sui diritti di quest'ultimo (pronuncia del 12 settembre 2006).
A.c Dando seguito alla pronuncia di rinvio, l'amministrazione ha disposto l'allestimento di una perizia pluridisciplinare a cura del Servizio accertamento medico dell'AI (SAM), i cui responsabili, con referto del 5 settembre 2007, hanno attestato una capacità lavorativa del 50% in attività simili a quella precedente di disegnatore del genio civile a partire dal marzo 2003. Sulla base delle conclusioni peritali, per decisione 7 aprile 2008 l'UAI ha confermato il diritto di F._ a una mezza rendita d'invalidità dal 1° marzo 2003 (grado del 50%).
B. Postulando in sostanza il riconoscimento di una rendita intera, F._ si è nuovamente aggravato al Tribunale cantonale delle assicurazioni, il quale, per pronuncia del 23 aprile 2009, ne ha respinto il gravame confermando l'operato dell'amministrazione.
C. Patrocinato dall'avv. Marco Cereghetti, F._ è insorto al Tribunale federale, al quale, in accoglimento del gravame, chiede, in via principale, l'annullamento del giudizio impugnato e il riconoscimento di una rendita intera AI sulla base di un grado di inabilità lavorativa totale. In via subordinata postula l'annullamento del giudizio cantonale e il rinvio della causa all'istanza precedente affinché disponga un complemento istruttorio e renda un nuovo giudizio. In via ancora più subordinata domanda l'annullamento della pronuncia impugnata e il rinvio degli atti all'amministrazione per complemento delle indagini mediche e nuova decisione. Il tutto con protesta di spese e ripetibili.
L'UAI propone la reiezione del gravame, mentre l'Ufficio federale delle assicurazioni sociali ha rinunciato a determinarsi.
Diritto:
1. Oggetto della presente lite è il tema di sapere se il ricorrente abbia diritto a una rendita intera di invalidità invece di quella mezza assegnata dall'amministrazione e confermata dal giudice cantonale.
2. Il ricorso può essere presentato per violazione del diritto, conformemente a quanto stabilito dagli art. 95 e 96 LTF. Per il resto, il Tribunale federale fonda la sua sentenza sui fatti accertati dall'autorità inferiore (art. 105 cpv. 1 LTF). Può scostarsi da questo accertamento solo qualora esso sia avvenuto in modo manifestamente inesatto o in violazione del diritto ai sensi dell'art. 95 LTF (art. 105 cpv. 2 LTF). Salvo i casi in cui tale inesattezza sia lampante (cfr. DTF 133 IV 286 consid. 6.2 pag. 288 in fine), la parte ricorrente che intende contestare i fatti accertati dall'autorità inferiore deve spiegare, in maniera circostanziata, per quale motivo ritiene che le condizioni di una delle eccezioni previste dall'art. 105 cpv. 2 LTF sarebbero realizzate; in caso contrario non si può tener conto di uno stato di fatto diverso da quello posto a fondamento della decisione impugnata (cfr. DTF 133 II 249 consid. 1.4.3 pag. 254 con riferimento).
3. Nei considerandi dell'impugnata pronuncia, l'autorità giudiziaria cantonale ha già esposto le norme e i principi giurisprudenziali disciplinanti la materia, rammentando in particolare i presupposti e l'estensione del diritto alla rendita (art. 28 cpv. 1 LAI, nella versione applicabile in concreto, in vigore fino al 31 dicembre 2007, precedente la 5a revisione dell'AI), il metodo ordinario di confronto dei redditi per la determinazione del grado di invalidità di assicurati esercitanti un'attività lucrativa (art. 16 LPGA), i compiti del medico ai fini di tale valutazione e il valore probatorio generalmente riconosciuto ai referti medici fatti allestire da un tribunale o dall'amministrazione conformemente alle regole di procedura applicabili (DTF 125 V 256 consid. 4 pag. 261, 351 consid. 3b/ee pag. 353; 115 V 133 consid. 2; 114 V 310 consid. 3c pag. 314; 105 V 156 consid. 1 pag. 158). A tale esposizione può essere fatto riferimento e prestata adesione.
4. Il ricorrente rimprovera essenzialmente al giudice cantonale di avere espresso il proprio giudizio fondandosi sulla perizia pluridisciplinare (ortopedica, cardiologica e psichiatrica) del SAM e di non avere tenuto conto, in particolare, delle valutazioni dello psichiatra curante dott. T._.
4.1 Per giurisprudenza, gli accertamenti dell'autorità cantonale di ricorso in merito al danno alla salute, alla capacità lavorativa dell'assicurato e all'esigibilità di un'attività professionale - nella misura in cui quest'ultimo giudizio non si fonda sull'esperienza generale della vita - costituiscono questioni di fatto che possono essere riesaminate da questa Corte solo in maniera molto limitata (v. consid. 2; DTF 132 V 393 consid. 3.2 pag. 398).
4.2 Nel giudizio impugnato il Tribunale cantonale delle assicurazioni ha diffusamente esposto i motivi per i quali ha ritenuto di potersi fondare sulle valutazioni, motivate, complete e convincenti del SAM, i cui esperti hanno riconosciuto, a partire dal marzo 2003, nell'ambito di un'apprezzamento globale, una incapacità lavorativa del 50% in attività analoghe a quella di disegnatore del genio civile precedentemente svolta dall'assicurato. In particolare ha spiegato perché queste conclusioni non erano suscettibili di essere poste seriamente in dubbio dalle valutazioni dello psichiatra curante dell'assicurato, il quale ha certificato una completa e durevole incapacità lavorativa del proprio paziente (sul valore probatorio attribuito ai referti dei medici curanti, anche se specialisti, e sulla differenza tra mandato di cura e mandato di perizia cfr. DTF 125 V 351 consid. 3b/cc pag. 353 e sentenza I 701/05 del 5 gennaio 2007, consid. 2 in fine con riferimenti; cfr. inoltre sentenza del Tribunale federale delle assicurazioni I 655/05 del 20 marzo 2006, consid. 5.4).
4.3 Nel ricorso non viene fatto valere nulla che lasci concludere per un accertamento dei fatti determinanti manifestamente inesatto o avvenuto in violazione del diritto e che giustifichi di procedere a una rettifica secondo l'art. 105 cpv. 2 LTF. Le censure ricorsuali, nella misura in cui non si limitano a riprendere le obiezioni mosse in sede cantonale ed efficacemente smontate dall'autorità giudiziaria di prima istanza, si esauriscono infatti in una - tenuto conto del potere di esame limitato di cui dispone il Tribunale federale nella presente procedura - inammissibile critica dell'accertamento compiuto dal giudice di prime cure. Ad ogni modo, come già rilevato poc'anzi, l'istanza precedente ha esposto in dettaglio i motivi per i quali ha deciso di fondare la propria valutazione sulle conclusioni del SAM, anziché su quelle del curante dott. T._. Tale valutazione non è censurabile anche perché conforme alla giurisprudenza in materia (v. considerando precedente). Una diversa valutazione da parte del ricorrente non basta a rendere manifestamente inesatto l'accertamento operato dal primo giudice, che vincola pertanto il Tribunale federale.
4.4 Il giudizio cantonale non è nemmeno criticabile nella misura in cui ha considerato che l'accertata inabilità lavorativa del 50% nella professione di disegnatore del genio civile e in altre attività simili corrispondesse nella concreta evenienza ad un'incapacità al guadagno di pari grado.
5. La pronuncia impugnata - che riconoscendo all'insorgente il diritto a una mezza rendita dal 1° marzo 2003 di certo non lo sfavorisce dal momento che non considera l'anno di attesa di cui all'art. 29 cpv. 1 lett. b LAI (nel suo tenore applicabile in concreto, in vigore fino al 31 dicembre 2007) - merita quindi tutela, senza che sia necessario far procedere al complemento istruttorio richiesto in via subordinata nel ricorso a questa Corte. Le spese giudiziarie seguono la soccombenza e sono poste a carico del ricorrente (art. 66 cpv. 1 LTF).
Per questi motivi, il Tribunale federale pronuncia:
1. Il ricorso è respinto.
2. Le spese giudiziarie di fr. 500.- sono poste a carico del ricorrente.
3. Comunicazione alle parti, al Tribunale delle assicurazioni del Cantone Ticino e all'Ufficio federale delle assicurazioni sociali.