Faits:
A. A._ a travaillé en qualité de vendeuse auprès de X._ SA, à plein temps à partir du mois de mars 1987, puis à 90 % dès le 1er janvier 2005. Invoquant différentes incapacités de travail présentées à partir du 23 mars 2006 en raison d'une arthrose, elle a déposé le 22 juin 2007 une demande de prestations tendant à l'octroi d'une rééducation dans la même profession auprès de l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI); l'assurée a précisé que depuis le 1er juin 2007, elle travaillait à 50 %.
Dans le cadre de l'instruction de la demande, l'administration a sollicité le docteur L._, spécialiste FMH en médecine interne générale et médecin traitant, lequel a retenu une capacité de travail de 70 à 90 % dans une activité adaptée (rapport du 4 août 2007). L'office AI a également interpellé le docteur N._, spécialiste FMH en neurologie, pour qui l'activité habituelle pouvait être exercée avec une diminution de rendement de 50 % alors qu'un aménagement du poste de travail de l'intéressée lui permettrait très probablement de recouvrer une capacité de travail entière dans un délai d'une année (rapport du 15 octobre 2007). L'administration a encore procédé à une enquête économique sur le ménage retenant notamment un statut mixte (rapport du 17 janvier 2008) et mandaté le docteur S._, spécialiste FMH en rhumatologie et en médecine interne générale, afin qu'il réalise une expertise. Celui-ci a conclu à l'exigibilité de l'activité habituelle à 50 % et d'une activité adaptée à 90 % (rapport du 20 février 2008). Interpellé à nouveau par l'office AI, le docteur L._ a conclu à une capacité de travail de 50 % dans l'activité habituelle et entière dans une activité adaptée (rapport du 25 février 2008). Les docteurs C._, spécialiste FMH en anesthésiologie, et H._, médecins auprès du Service médical régional de l'office AI (ci-après: le SMR), ont pour leur part entériné les conclusions de l'expert (rapport du 1er avril 2008).
Lors d'un entretien du 5 août 2008, l'office AI a fait savoir à l'assurée qu'il la considérait comme capable d'exercer à 90 % une activité adaptée à son état de santé. L'intéressée a alors indiqué qu'elle souhaitait demeurer au service de son employeur actuel; elle espérait, par le biais d'une formation interne, accéder à un poste administratif ou de caissière et augmenter son taux de travail pour atteindre celui que l'administration tenait pour exigible. L'office AI a estimé que A._ disposait des compétences nécessaires à l'exercice de ce type d'activités et qu'il y avait lieu d'examiner avec X._ SA la faisabilité de ce projet.
Le 6 octobre 2008, l'employeur de l'assurée a indiqué à l'office AI que celle-ci présentait de nouvelles atteintes à la santé. L'administration a alors recueilli l'avis des docteurs N._ (rapport du 21 octobre 2008), R._, spécialiste FMH en médecine interne générale auprès du SMR (rapport du 27 octobre 2008) et L._ (rapport du 15 novembre 2008).
Par décision du 4 septembre 2009 confirmant un projet du 7 mai précédent, l'administration a reconnu le droit de A._ à une rente entière d'invalidité du 1er mars au 31 août 2007. Elle estimait que l'assurée avait été en incapacité totale de travail de mars 2006 à mai 2007, laquelle justifiait dans le cadre de la méthode mixte d'évaluation une invalidité de 93 %; en revanche, depuis juin 2007 la capacité résiduelle de travail était de 90 % dans une activité adaptée, dans l'industrie légère, comme aide de bureau ou réceptionniste d'hôtel et il en résultait un degré d'invalidité global de 35 %, insuffisant pour justifier le maintien du droit à la rente. L'assurée ne pouvait dès lors plus prétendre à aucune prestation pour la période postérieure au 31 août 2007.
B. A._ a déféré cette décision devant le Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales. Par jugement du 31 octobre 2011, celui-ci a partiellement admis le recours, reconnu à l'assurée le droit à une rente entière entre le 1er mars et le 31 août 2007 suivie d'un quart de rente du 1er septembre 2007 au 31 août 2009, et renvoyé la cause à l'office AI pour instruction complémentaire puis nouvelle décision s'agissant de la période postérieure au 31 août 2009.
C. L'office AI interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il demande l'annulation. Il conclut à la confirmation de sa décision du 4 septembre 2009.
L'intimée conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.
Considérant en droit:
1. En ce que le jugement entrepris reconnaît à l'intimée le droit à une rente entière d'invalidité du 1er mars au 31 août 2007 suivie d'un quart de rente jusqu'au 31 août 2009, l'acte attaqué constitue une décision finale contre laquelle le recours en matière de droit public est ouvert (art. 90 LTF).
En tant qu'il renvoie le dossier à l'administration pour instruction complémentaire et nouvelle décision concernant la période postérieure au 31 août 2009, il doit en revanche être qualifié de décision incidente qui ne peut être attaquée qu'aux conditions de l'art. 93 LTF (ATF 133 V 477 consid. 4.2 p. 482). Dans le cas particulier, la juridiction cantonale a considéré que le droit de l'intimée à un quart de rente devait dans tous les cas être maintenu au-delà du 31 août 2009 s'il s'avérait que la résiliation de ses rapports de travail était soumise contractuellement à un délai supérieur au minimum légal de trois mois pour la fin d'un mois (cf. jugement entrepris consid. 5d p. 14 et infra consid. 4.1). Sur ce point, le jugement attaqué contient une instruction impérative destinée à l'autorité inférieure qui ne lui laisse plus aucune latitude de jugement pour la suite de la procédure. En cela, l'office AI subit un préjudice irréparable au sens de l'art. 93 al. 1 let. a LTF, si bien qu'il y a lieu d'entrer en matière (cf. ATF 133 V 477 consid. 5.2.4 p. 484 s.).
2. Le recours en matière de droit public peut être interjeté pour violation du droit, tel qu'il est délimité par les art. 95 et 96 LTF. Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (art. 106 al. 1 LTF). Il n'est donc limité ni par les arguments soulevés dans le recours, ni par la motivation retenue par l'autorité précédente; il peut admettre un recours pour un autre motif que ceux qui ont été invoqués et il peut rejeter un recours en adoptant une argumentation différente de celle de l'autorité précédente (cf. ATF 130 III 136 consid. 1.4 in fine). Compte tenu de l'exigence de motivation contenue à l'art. 42 al. 1 et 2 LTF - sanctionnée par l'irrecevabilité des recours dont la motivation est manifestement insuffisante (art. 108 al. 1 let. b LTF) -, le Tribunal fédéral n'examine en principe que les griefs invoqués; il n'est pas tenu de traiter, comme le ferait une autorité de première instance, toutes les questions juridiques qui se posent, lorsque celles-ci ne sont plus ou pas discutées devant lui.
3. Le litige porte sur le droit de l'intimée à une rente de l'assurance-invalidité pour la période postérieure au 31 août 2007, plus particulièrement sur le taux d'invalidité et spécifiquement sur le revenu d'invalide.
4. 4.1 Selon l'instance cantonale, le moment - situé entre juillet 2007 et février 2008 - où l'intimée a recouvré une capacité de travail de 90 % dans une activité adaptée n'est pas déterminant. Dès lors que l'intéressée avait déposé une demande tendant à une rééducation dans la même profession, elle était en effet fondée à penser que le recourant examinerait avec elle les possibilités de mise en oeuvre d'une telle mesure - ce qu'il avait du reste fait dans un premier temps; au surplus, compte tenu de son âge et de son état de santé, elle pouvait légitimement considérer que la poursuite des rapports de travail auprès de son employeur actuel était prioritaire. Jusqu'à la notification par le recourant du projet de décision de mai 2009, l'intimée ne pouvait ainsi pas se douter que celui-ci tenait pour exigible la résiliation de son contrat de travail au profit d'une activité professionnelle mieux adaptée. Il fallait en outre prendre en considération le délai de congé qu'aurait alors dû respecter l'intéressée pour satisfaire à l'obligation de réduire son dommage, soit trois mois pour la fin d'un mois (art. 335c al. 1 CO) à moins qu'un délai plus long n'ait été prévu contractuellement (ce que devrait déterminer le recourant). Le revenu d'invalide devait donc être établi jusqu'en août 2009 au moins en fonction du revenu effectif qu'avait réalisé l'intimée en travaillant à 50 % comme vendeuse - soit le maximum exigible dans cette activité. Sur cette base, le taux global d'invalidité s'élevait à 49 %, ouvrant à l'intéressée le droit à un quart de rente. En retenant un revenu d'invalide fondé depuis juin 2007 déjà sur une capacité de travail de 90 %, le recourant avait violé son obligation de mettre en demeure l'intimée et de lui impartir un délai de réflexion convenable (art. 21 al. 4 LPGA), l'obligation générale d'informer les assurés (art. 27 al. 1 LPGA) ainsi que le principe de la bonne foi (art. 5 Cst.). Enfin, le recourant n'avait pas suffisamment instruit la cause quant à l'évolution de l'état de santé de l'intimée entre la date de l'expertise réalisée par le docteur S._ et le mois de septembre 2009; il lui appartenait dès lors de clarifier cette question avant de rendre une nouvelle décision.
4.2 Le recourant soutient que les premiers juges ont établi les faits de manière manifestement inexacte en considérant que l'intimée ne disposait pas encore d'une capacité de travail de 90 % dans une activité adaptée au début du mois de juin 2007. La prise en compte de cette date comme moment de la modification du taux d'invalidité serait conforme au droit: l'art. 21 al. 4 LPGA ne s'appliquerait pas au cas d'espèce et l'obligation pour un assuré de réduire son dommage en exploitant pleinement sa capacité de travail ne serait pas subordonnée à une mise en demeure par l'administration. Il n'aurait en outre jamais exigé de l'intéressée qu'elle résilie son contrat de travail.
4.3 L'intimée affirme que le raisonnement tenu par les premiers juges est en tous points conforme au droit.
5. Lorsque l'intimée a déposé une demande de prestations de l'assurance-invalidité tendant à une rééducation dans la même profession, elle occupait un emploi stable - elle était alors au service d'X._ SA depuis vingt ans - et poursuivait son activité habituelle - certes au taux réduit de 50 % - auprès de cet employeur; lors de l'entretien qu'elle a eu en août 2008 avec le responsable en charge de son dossier auprès du recourant et plus particulièrement des questions relatives à l'orientation professionnelle, celui-ci a soutenu son projet de réinsertion auprès de cette entreprise. Dans ces conditions, compte tenu de la confiance réciproque qui doit prévaloir dans les relations entre administration et administrés (art. 5 Cst.; ATF 108 V 84 consid. 3a p. 88 s.; arrêt 9C_999/2009 du 7 juin 2010 consid. 6.2, in SVR 2011 n° 7 p. 21), l'intéressée pouvait de bonne foi, aussi longtemps qu'elle n'avait pas reçu d'information contraire de la part du recourant, partir du principe que des démarches étaient en cours pour la réadapter et que dans l'intervalle, elle pouvait continuer d'exercer son activité de vendeuse, au taux - maximal exigible - de 50 % sans se voir imputer dans l'évolution de son invalidité le revenu qu'elle pourrait réaliser dans une autre activité. Ainsi, dans le cas d'espèce, au regard des conditions particulières propres à l'intimée, en différant le moment à partir duquel il y avait lieu de considérer que celle-ci devait exploiter sa capacité de travail de 90 % dans une activité adaptée, les premiers juges n'ont pas violé le droit fédéral.
6. Au regard des arguments avancés, le recours est mal fondé; vu l'issue du litige, le recourant, qui succombe, supportera les frais de la procédure (art. 66 al. 1 LTF) et versera une indemnité de dépens à l'intimée (art. 68 al. 1 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 500 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le recourant versera à l'intimée la somme de 1'800 fr. à titre de dépens pour la dernière instance.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties, au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales, et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 10 août 2012
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Meyer
Le Greffier: Bouverat