Faits:
A. C._, né en 1965, a travaillé comme maçon au sein de l'entreprise X._ Sàrl depuis son arrivée en Suisse en 1995. En raison des séquelles d'une chute sur le coude en 1998, l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: office AI) lui a octroyé, par décision du 21 août 2002, une rente entière d'invalidité du 1er octobre 1999 au 30 juin 2001.
Le 24 novembre 2002, C._ a été victime d'un accident de la circulation entraînant un choc cervical et une contusion cervicale. Après une période d'incapacité de travail, il a recommencé à travailler auprès de son ancien employeur. L'office AI a alors recueilli divers avis médicaux et diligenté une expertise psychiatrique. Par décision du 7 juillet 2009, il a refusé de lui reconnaître le droit à une rente, le taux d'invalidité s'élevant à 30 %.
B. L'assuré a déféré cette décision à la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal du canton de Vaud. Par jugement du 15 juin 2010, la juridiction cantonale a partiellement admis le recours, en ce sens qu'elle a reconnu à l'intéressé le droit à un quart de rente d'invalidité pour la période du 1er janvier 2003 au 31 mars 2003 et à une rente entière d'invalidité pour la période du 1er avril 2003 au 31 mars 2004, la cause étant renvoyée à l'office AI pour qu'il fixe le montant des rentes précitées et la décision du 7 juillet 2009 confirmée pour le surplus.
C. C._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement. Il conclut, sous suite de dépens, principalement à sa réforme, en ce sens que lui soit reconnu le droit à une rente entière d'invalidité dès le 1er janvier 2003. Il demande subsidiairement le renvoi du dossier à la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois pour complément d'instruction et nouveau jugement, et plus subsidiairement encore le renvoi du dossier à l'office AI pour complément d'instruction et nouvelle décision.
Le Tribunal fédéral a renoncé à procéder à un échange d'écritures.
Considérant en droit:
1. Malgré le renvoi de la cause à l'intimé pour qu'il règle le montant des rentes octroyées, le jugement entrepris ne constitue pas une décision incidente au sens de l'art. 93 LTF, mais une décision finale, dès lors que la juridiction cantonale a définitivement statué sur la prétention du recourant et que le renvoi ne concerne que les modalités d'exécution du droit à la rente (cf. art. 90 LTF; 9C_684/2007 du 27 septembre 2007 consid. 1.1 in SVR 2008 IV n° 39 p. 131).
2. Le recours en matière de droit public (art. 82 ss LTF) peut être formé pour violation du droit au sens des art. 95 et 96 LTF. Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (art. 106 al. 1 LTF), n'examine en principe que les griefs invoqués (art. 42 al. 2 LTF) et fonde son raisonnement sur les faits retenus par la juridiction de première instance (art. 105 al. 1 LTF) sauf s'ils ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF auquel cas il peut les rectifier ou les compléter d'office (art. 105 al. 2 LTF).
3. Le litige porte sur le droit du recourant à une rente d'invalidité supérieure à un quart de rente pour la période du 1er janvier 2003 au 30 avril 2003 et à une rente entière au-delà du 31 mars 2004; plus particulièrement il touche à la détermination du revenu d'invalide retenu par la juridiction cantonale pour évaluer le degré d'invalidité. Le jugement attaqué expose correctement les règles légales et la jurisprudence qui sont applicables en l'espèce, si bien qu'il suffit d'y renvoyer.
4. 4.1 Sur la base des rapports médicaux au dossier, la juridiction cantonale a constaté que le recourant présentait une incapacité de travail totale dans son activité habituelle de maçon, qui n'était plus adaptée aux limitations fonctionnelles qu'il présentait. Même s'il s'occupait davantage de la supervision de chantiers, il effectuait cependant aussi des travaux lourds et donc inappropriés. Les premiers juges ont retenu qu'il disposait d'une pleine capacité de travail résiduelle dans une activité adaptée à ses limitations fonctionnelles. Pour déterminer le revenu avec invalidité et partant évaluer le degré d'invalidité, les premiers juges n'ont donc pas retenu le dernier salaire effectivement réalisé par le recourant, qui, selon leurs constatations, était inférieur au 50 % de la rémunération qu'il aurait perçue avant ses atteintes à la santé; ils se sont fondés sur les données statistiques de l'Enquête suisse sur la structure des salaires (ESS) et ont fixé à 48'313 fr. 15 le revenu d'invalide. Après comparaison avec le salaire sans invalidité, ils ont constaté que le degré d'invalidité était de 30 % (29,81 %).
4.2 Le recourant reproche à la juridiction de première instance de ne pas avoir tenu compte pour l'évaluation de l'invalidité du revenu qu'il réalisait alors qu'il avait continué à travailler après la survenance de ses atteintes à la santé. Il soutient également qu'il n'aurait pas une capacité de gain plus élevée dans une activité adaptée, qu'il ne pourrait de toute façon pas exercer, vu la péjoration de son état de santé.
4.3 La juridiction cantonale a dûment expliqué que les seules allégations du recourant concernant une aggravation de son état de santé ne suffisaient pas à remettre en cause les conclusions concordantes des spécialistes médicaux consultés. Le recourant se limite une nouvelle fois en instance fédérale à énoncer des affirmations sur son incapacité de travail et son incapacité à augmenter son revenu dans une activité adaptée. Ce faisant, il ne démontre pas en quoi l'appréciation des preuves administrées par la juridiction cantonale serait insoutenable, ou en quoi les faits constatés seraient manifestement inexacts ou incomplets ou auraient été établis en violation du droit, mais ne fait que substituer son propre point de vue à celui des premiers juges. L'appréciation des faits opérée par la juridiction cantonale n'apparaît d'ailleurs nullement insoutenable au vu des éléments médicaux ressortant du dossier. Par conséquent, dans la mesure où le recourant n'a pas repris, après la survenance de son atteinte à la santé, une activité adaptée, dans laquelle il aurait mis à profit l'entier de sa capacité de travail résiduelle, c'est à bon droit que les premiers juges se sont référés aux données statistiques de l'ESS pour évaluer son revenu (hypothétique) d'invalide et le degré d'invalidité qu'ils ont retenu n'apparaît par conséquent pas contraire au droit.
4.4 Par ailleurs, les conclusions du recourant tendant au renvoi de la cause pour une instruction complémentaire ne sont pas motivées au sens de l'art. 42 al. 1 et 2 LTF et sont donc irrecevables.
5. Les frais judiciaires sont mis à sa charge (art. 66 al. 1 LTF) et il ne peut en outre prétendre des dépens (art. 68 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté, dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 500 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué aux parties, à la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal du canton de Vaud et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 22 décembre 2010
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Meyer Reichen