Faits:
A. B._, né en 1955, a travaillé notamment en qualité de manoeuvre. Souffrant de cervico-scapulalgies gauches, il a été mis en arrêt de travail à partir du mois d'avril 1998. Parmi les médecins qui se sont prononcés sur son état de santé, le docteur L._, spécialiste en médecine générale, a diagnostiqué des troubles somatoformes douloureux persistants et un état dépressif sévère induisant une incapacité de travail totale (rapport du 22 août 2000). L'intéressé a alors été mis au bénéfice d'une rente entière de l'assurance-invalidité dès le 1er avril 1999 (décision du 22 février 2001).
Dans le cadre d'une procédure de révision initiée au mois de juin 2004, l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI) a recueilli l'avis des médecins traitants, notamment celui du 15 octobre 2004 des médecins de l'Hôpital X._. Le 24 février 2006, l'assuré a été soumis à un examen rhumatologique et psychiatrique auprès du Service médical régional AI (SMR). Dans leur rapport du 22 mai 2006, les docteurs C._, psychiatre, et R._, spécialiste en médecine physique et rééducation, ont constaté que l'assuré ne souffrait plus d'une atteinte dépressive à caractère invalidant, mais essentiellement d'une dysthymie (F34.1) sans répercussion sur la capacité de travail. S'appuyant sur ces conclusions, par décision du 12 juin 2006 - confirmée par décision du 16 mai 2008 rendue sur opposition de l'assuré -, l'office AI a supprimé la rente d'invalidité avec effet au premier jour du deuxième mois suivant la notification de la décision, motif pris de la modification de la situation de l'assuré.
B. L'intéressé a déféré la décision sur opposition à la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal du canton de Vaud, qui l'a débouté par jugement du 22 juin 2010.
C. B._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il demande l'annulation. Sous suite de frais et dépens, il conclut principalement au maintien du droit à une rente entière d'invalidité et subsidiairement au renvoi de la cause à la juridiction cantonale pour instruction complémentaire et nouvelle décision.
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 notamment pour violation du droit fédéral (art. 95 let. a LTF), que le Tribunal fédéral applique d'office. N'examinant en principe que les griefs invoqués, le Tribunal fédéral statue sur la base des faits établis par l'autorité précédente (art. 105 al. 1 LTF) et peut rectifier ou compléter d'office les constatations de celle-ci 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).
1.2 Selon l'art. 99 al. 1 LTF, aucun fait nouveau ni preuve nouvelle ne peut être présenté à moins de résulter de la décision de l'autorité précédente. Le recourant produit en instance fédérale un avis des médecins de l'Hôpital X._ établi le 18 août 2010, soit postérieurement au jugement entrepris. Selon lui, cet avis ne constitue pas un fait ou un moyen de preuve nouveau, les médecins ne faisant que répondre aux critiques des juges cantonaux à l'encontre de leur rapport du 6 juin 2008. Cette argumentation ne peut être suivie. En tant que la pièce nouvellement produite vise des faits ayant constitué l'objet de la procédure cantonale, elle doit être qualifiée de moyen de preuve nouveau ne résultant pas du jugement attaqué (cf. ULRICH MEYER, in Basler Kommentar, Bundesgerichtsgesetz, 2008, n. 22 ad art. 99 LTF). Elle est dès lors irrecevable et ne peut pas être prise en considération dans la présente procédure.
2. Le litige porte sur la suppression, par la voie de la révision, du droit du recourant à une rente entière d'invalidité. Le jugement entrepris expose correctement les règles légales et la jurisprudence sur les conditions de la révision, la notion d'invalidité et son évaluation, ainsi que la valeur probante des rapports médicaux. Il suffit d'y renvoyer.
3. Pour déterminer si l'état de santé du recourant s'était amélioré de manière à entraîner une modification de son taux d'invalidité, et partant de son droit à une rente, la juridiction cantonale s'est fondée sur les conclusions des médecins du SMR. Ces derniers ont retenu pour l'essentiel que l'assuré présentait une dysthymie sans répercussion sur la capacité de travail; sur le plan somatique, il n'existait aucune atteinte organique incapacitante. Forts de ces conclusions, les premiers juges ont considéré que le trouble dépressif qui avait justifié l'octroi d'une rente entière en 2000 était d'une intensité moins sévère et que le diagnostic de dysthymie ne suffisait plus pour retenir un état dépressif majeur. Ils ont, en revanche, écarté le rapport du 6 juin 2008 du docteur P._ et de la psychologue M._ de l'Hôpital X._, produit par le recourant en instance cantonale. Ces médecins avaient diagnostiqué un épisode dépressif sévère sans symptômes psychotiques, un syndrome douloureux somatoforme persistant, et un facteur de stress lié à la guerre et à des expériences catastrophiques, tout en constatant une évolution défavorable. Les juges cantonaux ont considéré que ces conclusions étaient insuffisamment motivées, les médecins n'expliquant pas les diagnostics retenus. En conclusion, la juridiction de première instance a constaté que le recourant ne présentait plus aucun trouble de la santé invalidant, admettant ainsi implicitement une amélioration de l'état de santé de celui-ci.
4. 4.1 Le recourant invoque une appréciation arbitraire des faits et des preuves et une violation de l'art. 17 LPGA. Il reproche principalement à la juridiction cantonale d'avoir privilégié l'opinion des médecins du SMR au détriment de celle des médecins de l'Hôpital X._. Une large partie de son argumentation repose cependant sur le rapport du 18 août 2010 qui n'est pas admis comme moyen de preuve (cf. supra consid. 1.2). Il soutient, par ailleurs, qu'en raison des doutes sérieux quant à une amélioration de son état de santé, la juridiction cantonale aurait dû requérir une nouvelle expertise.
4.2 L'appréciation des preuves est arbitraire lorsqu'elle est manifestement insoutenable, en contradiction avec le dossier, ou contraire au sens de la justice et de l'équité (ATF 120 Ia 31 consid. 4b p. 40, 118 Ia 28 consid. 1b p. 30) ou lorsque l'autorité ne tient pas compte, sans raison sérieuse, d'un élément propre à modifier la décision, se trompe sur le sens et la portée de celui-ci ou, se fondant sur les éléments recueillis, en tire des constatations insoutenables (ATF 129 I 8 consid. 2.1 p. 9, 127 I 38 consid. 2a p. 41).
4.3 Les premiers juges ont procédé en l'espèce à une appréciation consciencieuse des preuves disponibles et expliqué de façon circonstanciée les raisons qui les ont conduits à retenir une amélioration de l'état de santé du recourant sur la base du rapport d'examen du SMR et à écarter les conclusions de l'Hôpital X._. Comme ils l'ont retenu à juste titre, l'appréciation du SMR répond aux critères dégagés par la jurisprudence qui permettent d'accorder pleine valeur probante à un rapport médical (cf. ATF 125 V 352 consid. 3a); en effet, leur rapport résulte d'une analyse complète de la situation médicale portant aussi bien sur les aspects somatiques que psychiques des troubles allégués et reposant sur une anamnèse complète qui contient une description précise et exhaustive des plaintes et du quotidien de l'assuré. Il comporte également des conclusions dûment motivées. Le recourant ne le conteste du reste pas, dès lors qu'il se limite à émettre des doutes sur certaines considérations de la doctoresse C._, sans en tirer de conclusion. Contrairement à ce qu'il soulève, ce médecin n'a pas porté un jugement de valeur en évoquant l'existence d'une vie sociale riche et d'un socle familial important, ces considérations étant utiles pour se prononcer sur le fonctionnement psycho-social de l'intéressé et évaluer la gravité de son atteinte psychique.
4.4 C'est en vain que le recourant tente de tirer argument de la divergence d'opinion entre ses médecins traitants et ceux du SMR. Une évaluation médicale complète comme celle réalisée par les docteurs R._ et C._ ne saurait être remise en cause pour le seul motif qu'un ou plusieurs médecins ont une opinion divergente. Pour qu'il en aille différemment, il appartient à la partie recourante de mettre en évidence des éléments objectivement vérifiables - de nature notamment clinique ou diagnostique - qui auraient été ignorés dans le cadre de l'appréciation et qui seraient suffisamment pertinents pour remettre en cause le bien-fondé du point de vue sur lequel se sont fondés les premiers juges ou établir le caractère incomplet de celui-ci (arrêt 9C_578/2009 du 29 décembre 2009 consid. 3.2). A cet égard, le recourant ne met en lumière aucun élément permettant de faire douter des conclusions des médecins du SMR. Il se réfère certes au rapport du 6 juin 2008, dans lequel les médecins de l'Hôpital X._ ont posé, sans autres explications, le diagnostic d'épisode dépressif sévère sans symptômes psychotiques, de syndrome douloureux somatoforme persistant, et de facteur de stress lié à la guerre et à des expériences catastrophiques. Toutefois, comme seule justification à leur diagnostic, le docteur P._ et la psychologue M._ ont mentionné que la symptomatologie dépressive était liée à la symptomatologie douloureuse, ce qui ne suffit pas pour motiver leurs constatations. Du reste, l'avis médical du 15 octobre 2004 de l'Hôpital X._, qui retient le même diagnostic, ne contient pas plus d'explications. C'est donc sans arbitraire que les premiers juges ont conclu que le diagnostic de trouble somatoforme douloureux avec épisode dépressif sévère n'était pas suffisamment étayé pour être admis, ni faire douter des conclusions du SMR. Leur appréciation ne peut dès lors qu'être suivie.
4.5 Enfin, faute de doutes sérieux quant à l'amélioration de l'état de santé du recourant au regard des pièces médicales au dossier, une expertise complémentaire n'était pas nécessaire et les conclusions de l'intéressé sur ce point doivent être rejetées.
5. Il résulte de ce qui précède que le recours se révèle mal fondé et qu'il doit par conséquent être rejeté.
6. Vu l'issue du recours, les frais judiciaires doivent être mis à la charge du recourant qui succombe (art. 66 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 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 24 janvier 2011
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Meyer Reichen