Faits:
A. Le 4 janvier 2008 à 16h17, A._ a circulé à une vitesse de 113 km/h (marge de sécurité déduite) sur l'autoroute Vevey-Fribourg (A12), à la jonction de Châtel-Saint-Denis et de Vevey, alors que la vitesse autorisée y est limitée à 80 km/h. Par lettre du 30 avril 2008, le Service des automobiles et de la navigation du canton de Vaud (ci-après: le SAN) a suspendu la procédure administrative jusqu'à droit connu dans la procédure pénale.
Par ordonnance du 12 décembre 2008, le Juge d'instruction de l'arrondissement de l'Est vaudois a condamné A._ à une amende 900 francs, convertible en 9 jours de peine privative de liberté de substitution, pour violation simple des règles de la circulation routière. Le Tribunal de l'arrondissement de l'Est vaudois a pris simultanément acte de l'opposition à cette ordonnance et de son retrait par prononcé du 10 février 2009, l'ordonnance de condamnation étant ainsi exécutoire.
Par décision du 20 mai 2009, le SAN a ordonné le retrait du permis de conduire de A._ pour une durée d'un mois, l'infraction étant qualifiée de moyennement grave. Sur recours du prénommé, il a confirmé cette décision le 10 juillet 2009. Par arrêt du 22 octobre 2009, la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: le Tribunal cantonal) a rejeté le recours formé par l'intéressé contre cette décision.
B. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral principalement d'annuler cet arrêt, subsidiairement de prononcer un avertissement, encore plus subsidiairement de renvoyer la cause au Tribunal cantonal pour nouvelle décision dans le sens des considérants.
Le Tribunal cantonal, le SAN et l'Office fédéral des routes concluent au rejet du recours en se référant à l'arrêt attaqué.
Par ordonnance du 22 décembre 2009, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la demande d'effet suspensif présentée par le recourant.
Considérant en droit:
1. La voie du recours en matière de droit public, au sens des art. 82 ss LTF, est en principe ouverte contre une décision prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) au sujet d'une mesure administrative de retrait du permis de conduire (art. 82 let. a LTF), aucune des exceptions mentionnées à l'art. 83 LTF n'étant réalisée. Le recourant est particulièrement atteint par la décision attaquée, qui confirme le retrait de son permis de conduire pour une durée d'un mois; il a un intérêt digne de protection à son annulation. Il a donc qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF. Les autres conditions de recevabilité du recours sont réunies, de sorte qu'il convient d'entrer en matière.
2. Le recourant ne conteste pas avoir commis un excès de vitesse de 33 km/h. Il estime que la preuve de cet excès de vitesse aurait été recueillie de manière déloyale et que l'infraction aurait été "l'objet d'une véritable embuscade, puisque le conducteur ne pouvait à la fois respecter l'injonction de faire usage du frein moteur, et le signal limitant la vitesse à 80 km/h, placé trop près à la suite de la limitation fixée à 100 km/h". Il se plaint d'une violation de l'art. 6 CEDH.
Partant, le recourant ne prétend pas que les panneaux de limitation de la vitesse étaient masqués. Son raisonnement fait donc abstraction de la signalisation routière mise en place et remet en cause les limitations de vitesse fixées par l'autorité compétente. Or, ainsi que l'a relevé l'instance précédente, les signaux de limitation de vitesse sont juridiquement valables lorsqu'ils ont été placés à la suite d'une décision et d'une publication conformes de l'autorité compétente, visiblement exprimées sous la forme de la signalisation concrète (ATF 126 II 196 consid. 2b p. 200 et les arrêts cités). Dans ces conditions, le recourant ne peut se prévaloir du fait que la preuve de son excès de vitesse aurait été obtenue de manière illicite. A cet égard, l'arrêt de la Cour européenne des droits de l'homme, cité par le recourant, n'est pas pertinent puisqu'il traite d'un cas fort différent, à savoir celui d'une personne qui a été incitée par des policiers, habillés en civil, à commettre une infraction dont elle a par la suite été reconnue coupable. Le grief tombe donc à faux.
3. Le recourant considère ensuite que, compte tenu des conditions de visibilité et de trafic favorables, de la mise en danger légère et du fait qu'il a respecté les consignes de sécurité en utilisant le frein moteur, une infraction moyennement grave ne saurait être retenue et seul un avertissement aurait dû être prononcé à son encontre.
3.1 La LCR distingue les infractions légères, moyennement graves et graves (art. 16a-c LCR). Commet une infraction moyennement grave selon l'art. 16b al. 1 let. a LCR la personne qui, en violant les règles de la circulation, crée un danger pour la sécurité d'autrui ou en prend le risque. Conformément à l'art. 16b al. 2 let. a LCR, le permis d'élève-conducteur ou le permis de conduire est retiré pour un mois au minimum après une infraction moyennement grave. Si des circonstances telles que la gravité de la faute, les antécédents ou la nécessité professionnelle de conduire un véhicule automobile doivent être prises en compte pour fixer la durée du retrait, la durée minimale ne peut pas être réduite à teneur de l'art. 16 al. 3 LCR.
Dans le domaine des excès de vitesse, la jurisprudence a été amenée à fixer des règles précises afin d'assurer l'égalité de traitement entre conducteurs. Ainsi, le cas est objectivement grave, c'est-à-dire sans égard aux circonstances concrètes ou encore à la bonne réputation du conducteur, en présence d'un dépassement de la vitesse autorisée de 25 km/h ou plus à l'intérieur des localités, de 30 km/h ou plus hors des localités et sur les semi-autoroutes, et de 35 km/h ou plus sur les autoroutes (ATF 132 II 234 consid. 3.2 p. 238; 124 II 259 consid. 2b p. 262). Il est en revanche de moyenne gravité lorsque le dépassement de la vitesse autorisée est, respectivement, de 21 à 24 km/h (ATF 126 II 196 consid. 2a p. 199), de 26 à 29 km/h et de 31 à 34 km/h (ATF 128 II 131 consid. 2a p. 132). Un arrêt récent a confirmé ce système de seuils schématiques arrêtés par la jurisprudence en matière d'excès de vitesse (arrêt 1C_83/2008 du 16 octobre 2008 consid. 2).
Cette jurisprudence ne dispense toutefois pas l'autorité de tout examen des circonstances du cas concret. D'une part, l'importance de la mise en danger et celle de la faute doivent être appréciées afin de déterminer quelle doit être la durée d'un retrait de permis (cf. art. 16 al. 3 LCR). D'autre part, il y a lieu de rechercher si des circonstances particulières ne justifient pas de considérer néanmoins le cas comme de moindre gravité, cette dernière hypothèse pouvant notamment être réalisée lorsque le conducteur avait des motifs sérieux de penser qu'il ne se trouvait pas encore ou plus dans la zone de limitation de vitesse (ATF 126 II 196 consid. 2a p. 199; 124 II 97 consid.2c p. 101; 123 II 37 consid. 1f p. 41). L'autorité pourra également renoncer au retrait du permis de conduire en présence de circonstances analogues à celles qui justifient de renoncer à une peine en application de l'art. 54 CP (arrêts 1C_585/2008 du 14 mai 2009 consid. 2.1; 1C_303/2007 du 15 mai 2008 consid. 8.1; 6A.103/2002 du 27 janvier 2003 consid. 2.2 in SJ 2003 I p. 287; ATF 128 II 86 consid. 2c p. 88; 126 II 196 consid. 2c p. 200) ou encore des art. 17 ss CP (arrêt 1C_4/2007 du 4 septembre 2007 consid. 2.2). La règle de l'art. 16 al. 3 LCR, qui rend désormais incompressibles les durées minimales de retrait des permis de conduire, a été introduite dans la loi par souci d'uniformité. Le législateur a ainsi entendu exclure expressément la possibilité ouverte par la jurisprudence sous l'ancien droit, de réduire la durée minimale du retrait en présence de circonstances particulières, notamment en faveur de conducteurs professionnels (Message du Conseil fédéral concernant la modification de la loi fédérale sur la circulation routière du 31 mars 1999, FF 1999 IV 4131; ATF 135 II 334 consid. 2.2 p. 336; 132 II 234 consid. 2.3 p. 236 s.). Cette volonté d'uniformité, clairement exprimée par le législateur, exclut la possibilité ouverte par la jurisprudence, sous l'ancien droit, de réduire la durée minimale du retrait du permis, voire de renoncer à toute sanction en cas de faute particulièrement peu grave (ATF 135 II 334 consid. 2.2 p. 336 et les arrêts cités).
3.2 En l'occurrence, le recourant a commis un excès de vitesse de 33 km/h sur l'autoroute. Le dépassement de vitesse constaté constitue objectivement un cas moyennement grave au sens de l'art. 16b al. 1 let. a LCR, impliquant un retrait du permis de conduire pour une durée minimale d'un mois. Les circonstances invoquées par le recourant (configuration particulière de la route, circonstances entourant la constatation du dépassement de vitesse, absence d'antécédents en matière de circulation routière, bonnes conditions de circulation et mise en danger légère) ne sont pas de celles qui permettraient de s'écarter exceptionnellement du minimum légal au regard de l'art. 16 al. 3 LCR et de considérer le cas comme étant de gravité légère au sens de la jurisprudence précitée. Ce grief doit par conséquent être rejeté.
4. Le recourant considère enfin que l'écoulement du temps depuis la perpétration de l'infraction justifie une réduction, voire une suppression de la sanction en application de l'art. 48 lit. e CP, lequel prévoit que si l'intérêt à punir a sensiblement diminué en raison du temps écoulé depuis l'infraction et que l'auteur s'est bien comporté dans l'intervalle, le juge atténue la peine.
En l'espèce, la durée de la procédure n'apparaît d'emblée pas excessive, le temps écoulé entre la commission de l'infraction et la décision administrative de dernière instance cantonale étant de 22 mois. Quoi qu'il en soit, ce grief doit être écarté, dans la mesure où la jurisprudence a précisé que la durée minimale du retrait du permis de conduire ne pouvait pas être abaissée, même en cas de violation du droit d'être jugé dans un délai raisonnable (ATF 135 II 334 consid. 2.2 p. 336 s.). Or en l'occurrence, le retrait du permis de conduire est limité à la durée légale minimale d'un mois.
5. Il s'ensuit que le recours est rejeté, aux frais du recourant, qui succombe (art. 66 al. 1 LTF). Il n'est pas alloué de dépens (art. 68 al. 3 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 francs, sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire du recourant, au Service des automobiles et de la navigation et à la Cour de droit administratif et public du Tribunal cantonal du canton de Vaud, ainsi qu'à l'Office fédéral des routes.
Lausanne, le 25 mars 2010
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Féraud Tornay Schaller