Faits:
A. J._ a bénéficié de prestations de l'assurance-invalidité en 1972 et 1977 en raison d'une infirmité congénitale. Titulaire d'un baccalauréat passé en 1981, elle a obtenu un diplôme du cours de secrétariat de l'Ecole X._ en 1982, puis une licence en sciences économiques et sociales de l'Université Y._ en 1991. Du 1er décembre 1991 au 31 mai 1992, elle a travaillé à plein temps en qualité de fonctionnaire scientifique à l'Office Z._. Dès juillet 1992, elle a été engagée à 70 % comme employée dans le domaine informatique par l'entreprise W._, qui l'a licenciée pour raisons économiques avec effet au 31 mars 1993. D'avril 1993 à mai 1994, elle a effectué divers travaux de secrétariat. Alors qu'elle bénéficiait d'indemnités de l'assurance-chômage depuis le 1er juin 1994 tout en réalisant un gain intermédiaire, J._ a été mise en arrêt de travail à 70 % dès le 28 septembre 1994, puis à 100 % dès le 1er janvier 1996 par la doctoresse O._, psychiatre traitant, qui a diagnostiqué une névrose phobique et un état dépressif (rapport du 13 mars 1996). Par décision du 15 novembre 1996, l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Neuchâtel (ci-après : l'office AI) a accordé à l'intéressée une rente entière d'invalidité à partir du 1er septembre 1995, laquelle a été maintenue au cours de deux procédures de révision en 1997 et 2001.
Entre-temps, J._ a commencé des études de psychologie qu'elle a terminées en 2005 avec l'obtention d'une maîtrise de l'Université V._. Dès le 1er octobre 2005, elle a travaillé à mi-temps comme assistante sociale pour le Service T._. Dans le cadre d'une révision initiée en mars 2006, l'office AI a pris connaissance de la nouvelle activité de l'assurée. Par décision du 26 juin 2006, il a remplacé la rente entière d'invalidité par une demi-rente dès le 1er août 2006, au motif que l'activité exercée par J._ lui procurait un revenu représentant la moitié de celui qu'elle aurait obtenu sans atteinte à la santé. Sur opposition de l'assurée, il a maintenu sa position (décision sur opposition du 8 février 2008).
B. J._ a recouru contre cette décision auprès du Tribunal administratif du canton de Neuchâtel, en concluant à l'annulation de la décision sur opposition et à l'octroi d'un trois-quarts de rente, voire d'une rente entière. Après avoir rendu l'assurée attentive à la possibilité d'une reformatio in pejus, le Tribunal administratif a, par jugement du 10 mars 2009, rejeté son recours. Il a réformé la décision sur opposition du 8 février 2008 en ce sens que J._ a droit à un quart de rente dès le 1er août 2006.
C. J._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, dont elle demande l'annulation en concluant à la reconnaissance de son droit à au moins une demi-rente d'invalidité.
L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.
Considérant en droit:
1. 1.1 Le recours en matière de droit public (art. 82 ss LTF) peut être formé pour violation du droit selon 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 p. 140).
1.2 Le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente (art. 105 al. 1 LTF). Il peut cependant rectifier ou compléter d'office les constatations de l'autorité précédente si les faits ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF (art. 105 al. 2 LTF). Conformément aux principes relatifs au pouvoir d'examen du Tribunal fédéral développés dans l'ATF 132 V 393 consid. 3 p. 397 s., les règles légales et jurisprudentielles sur la manière d'effectuer la comparaison des revenus (prévue à l'art. 16 LPGA) relèvent de questions de droit. Sous cet angle, la constatation des deux revenus hypothétiques à comparer est une question de fait, dans la mesure où elle repose sur une appréciation concrète des preuves; il s'agit en revanche d'une question de droit dans la mesure où elle se fonde sur l'expérience générale de la vie (ATF 132 V 393 consid. 3.3 p. 399).
2. 2.1 Le litige porte sur le point de savoir si c'est à bon droit que la juridiction cantonale a réduit la rente entière de la recourante à un quart de rente à partir du 1er août 2006. Dans ce contexte, seul est contesté le degré d'invalidité, singulièrement le revenu sans invalidité nécessaire pour évaluer le taux d'invalidité conformément à l'art. 16 LPGA.
2.2 Le jugement cantonal expose correctement les règles légales et jurisprudentielles concernant les conditions de la révision d'une rente d'invalidité (art. 17 LPGA), ainsi que la détermination du salaire sans invalidité (art. 16 LPGA; ATF 129 V 222 consid. 4.3.1 p. 224). On peut donc y renvoyer.
3. 3.1 Pour fixer le salaire que la recourante aurait pu obtenir si elle n'était pas invalide (salaire sans invalidité), les premiers juges ont fait application du principe selon lequel le revenu sans invalidité s'évalue, en règle générale, d'après le dernier salaire que l'assuré a obtenu avant l'atteinte à la santé. Retenant que la recourante avait exercé une activité de secrétariat avant la survenance de l'invalidité, ils ont considéré qu'il n'était pas établi au degré de la vraisemblance prépondérante que l'invalidité l'avait empêchée d'obtenir, en 1992 et 1993, des gains supérieurs à ceux réalisés auprès de W._ et de divers autres employeurs. En conséquence, ils se sont fondés sur les revenus qu'elle avait réalisés en 1993 en tant que secrétaire (salaire mensuel brut de 4'500 fr. pour les trois premiers mois et 46'826 fr. pour le reste de l'année) et ont, en tenant compte de l'indexation jusqu'en 2006, fixé le revenu brut sans invalidité à 70'501 fr. 40. Ces constatations de fait reposent sur une appréciation concrète des preuves et le Tribunal fédéral ne peut s'en écarter que si le revenu valide de la recourante a été établi de façon manifestement inexacte ou en violation du droit (consid. 1.2 supra).
3.2 C'est ce que prétend la recourante, en reprochant aux premiers juges d'avoir retenu le salaire de secrétaire réalisé au cours de son activité à temps partiel en 1993 comme revenu sans invalidité. Elle soutient que ses problèmes de santé l'ont empêchée d'obtenir des gains supérieurs et que, sans les atteintes à la santé, elle ne se serait pas contentée du poste de secrétaire, ni de la rémunération correspondante. Pour la recourante, il fallait retenir le salaire réalisé à Z._ en 1992 car l'aggravation de son état de santé à cette période avait nécessité l'arrêt de son activité à l'administration fédérale et le changement vers un travail à temps partiel.
3.3 A l'appui de ces allégations, la recourante se réfère à une attestation de A._, psychologue qu'elle a consultée entre le début de l'année 1991 et fin 1992. Celle-ci a indiqué que durant cette période, les difficultés de sa patiente ne lui permettaient pas d'exercer une activité professionnelle, mais que devant la volonté de J._ de continuer à travailler, elle avait soutenu sa démarche « pensant que cela pouvait être bénéfique pour sa santé si le taux d'activité n'était pas trop élevé et que le contexte était adapté à sa problématique » (rapport du 8 mai 2008). Cette attestation, dont il y a lieu de relever qu'elle a été établie durant la procédure judiciaire cantonale et en connaissance des conséquences possibles sur l'issue de celle-ci, ne concorde avec aucun autre élément du dossier. Dans ses rapports des 3 novembre 1994 et 21 mars 1996, la doctoresse C._, médecin traitant, a indiqué que l'incapacité de travail de la recourante était de 70 % du 28 septembre 1994 au 31 décembre 1995 et de 100 % dès le 1er janvier 1996, et précisé que l'aggravation de l'état de santé remontait à l'été 1994. Pour sa part, le docteur S._, généraliste et ancien médecin traitant, a entre autres diagnostics fait état d'un status post légère réaction dépressive à la suite d'un licenciement en mars 1992 actuellement guéri. Il n'a prescrit aucun traitement médical et précisé qu'au contrôle du 4 juin 1992, la patiente était en bonne santé, l'affection n'ayant aucune influence sur la capacité de travail (rapport du 23 septembre 1992). En ce qui concerne par ailleurs, le licenciement de la recourante par Z._, il n'est pas intervenu pour des raisons de santé (lettre de Z._ du 28 avril 1992).
En ce qui concerne, par ailleurs, la suite de la carrière professionnelle de la recourante après son départ de Z._, il ressort du dossier qu'elle a commencé une activité d'employée dans le domaine informatique à 70 % pour un salaire mensuel brut de 4'500 fr. Elle a exercé cette activité durant neuf mois avant d'être licenciée pour des raisons économiques (courrier de W._ du 23 mars 1993). Par la suite, elle a choisi de travailler dans le domaine du secrétariat. Ces activités de secrétariat ont pris fin dans des circonstances qui n''ont pas été établies et la recourante s'est inscrite au chômage où elle a effectué une très grande partie de ses recherches d'emploi dans le domaine du secrétariat.
Au regard de l'ensemble de ces éléments, il n'est pas possible de retenir, comme le voudrait la recourante, que la juridiction cantonale aurait fixé de façon manifestement inexacte, voire insoutenable, le salaire avant invalidité en fonction d'une activité et d'une période pendant laquelle son état de santé aurait déjà limité sa capacité de travail. En particulier, rien ne permet de considérer que la réduction du temps de travail à partir du mois d'octobre 1992 était due à une atteinte à la santé, puisque tant la doctoresse C._ que la doctoresse O._ ont attesté que les troubles d'ordre psychologique ont entraîné une incapacité de travail seulement à partir de septembre 1994, respectivement janvier 1996 (rapports des 20 décembre 1994 et 24 juillet 1996).
4. Dans une argumentation subsidiaire, l'autorité cantonale de recours a retenu que même dans l'hypothèse où le revenu avant invalidité aurait été fixé en fonction d'un salaire de 19'285 fr., soit le 100 % du salaire de 4'500 fr. obtenu pour un taux de travail de 70 % de janvier à mars 1993, le taux d'invalidité en résultant n'aurait pas permis à la recourante de prétendre une demi-rente d'invalidité.
Ce calcul est contesté par la recourante. Il n'y a toutefois pas lieu d'examiner ce point plus avant, dès lors qu'on ne voit pas quels éléments au dossier permettraient de retenir qu'elle aurait renoncé à la différence de salaire en question en raison de son état de santé (voir aussi ATF 131 V 51 consid. 5.1.2 p. 53).
5. Il résulte de ce qui précède que le recours est mal fondé.
6. La procédure est onéreuse (art. 65 al. 4 let. a LTF). Vu l'issue du litige, les frais judiciaires doivent être mis à la charge de la recourante (art. 66 al. 1 LTF), qui ne peut prétendre une indemnité de dépens (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 de la recourante.
3. Le présent arrêt est communiqué aux parties, au Tribunal administratif du canton de Neuchâtel et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 29 septembre 2009
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Meyer Moser-Szeless