Faits:
A. Le 9 avril 2010, X._ a circulé au volant de son véhicule automobile sur l'autoroute A1, à la hauteur de Bellevue, en direction de Genève, à la vitesse de 132 km/h, alors que la vitesse y est limitée à 100 km/h. Par décision du 6 juillet 2010, le Service des contraventions du canton de Genève lui a infligé une amende de 600 francs, pour infraction aux art. 27, 32 et 90 LCR, en relation avec les art. 4a et 5 de l'ordonnance fédérale du 13 novembre 1962 sur la circulation routière (OCR; RS 741.11), ainsi que l'art. 22 de l'ordonnance fédérale du 5 septembre 1979 sur la signalisation routière (OSR; RS 741.21). Cette décision est entrée en force. X._ a payé l'amende.
Par décision du 2 septembre 2010, le Service des automobiles et de la navigation du canton de Vaud (ci-après: le SAN) a ordonné le retrait du permis de conduire de X._ pour la durée d'un mois, l'infraction étant qualifiée de moyennement grave. Le 8 octobre 2010, le SAN a rejeté la réclamation que l'intéressé avait formulée à l'encontre de la décision précitée.
Par arrêt du 28 janvier 2011, 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 le prénommé contre cette décision.
B. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, X._ demande au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt et la décision du SAN du 2 septembre 2010.
Le Tribunal cantonal se réfère à l'arrêt attaqué. Le SAN et l'Office fédéral des routes concluent au rejet du recours. Le recourant a répliqué, par courrier du 14 juin 2011.
Considérant en droit:
1. La voie du recours en matière de droit public, au sens des art. 82 ss LTF, est ouverte contre une décision de 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). Déposé en temps utile (art. 100 al. 1 LTF) par le destinataire de l'arrêt attaqué qui a un intérêt digne de protection à l'annulation de celui-ci (art. 89 al. 1 LTF), le présent recours est en principe recevable.
2. Invoquant l'art. 4 ch. 1 du Protocole additionnel n° 7 à la CEDH, le recourant estime que la mesure administrative prononcée sur la base des mêmes faits que la sanction pénale, violerait le principe "ne bis in idem". Il se réfère à l'interprétation que donne de cet article l'arrêt de la Cour européenne des droits de l'homme Zolotoukhine contre Russie du 10 février 2009 (ci-après: l'arrêt Zolotoukhine).
2.1 Nul ne peut être poursuivi ou puni pénalement par les juridictions du même Etat en raison d'une infraction pour laquelle il a déjà été acquitté ou condamné par un jugement définitif conformément à la loi et à la procédure pénale de cet Etat. Ce droit, exprimé par l'adage "ne bis in idem", est garanti par l'art. 4 ch. 1 du Protocole additionnel n° 7 à la CEDH, conclu à Strasbourg le 22 novembre 1984, et entré en vigueur pour la Suisse le 1er novembre 1988 (RS 0.101.07), ainsi que par l'art. 14 par. 7 du Pacte international relatif aux droits civils et politiques, conclu à New York le 16 décembre 1966 et entré en vigueur pour la Suisse le 18 septembre 1992 (Pacte ONU II; RS 0.103.2). La règle "ne bis in idem" découle en outre implicitement de la Constitution fédérale (ATF 128 II 355 consid. 5.1 p. 367; cf. également ATF 125 II 402 consid. 1b p. 404; 122 I 257 consid. 3 p. 259/260; 119 Ib 311 consid. 3a p. 318, et les arrêts cités). Enfin, sous la note marginale "Interdiction de la double poursuite", l'art. 11 al. 1 du Code de procédure pénale suisse du 5 octobre 2007 (CPP; RS 312.0) prévoit également qu'aucune personne condamnée ou acquittée en Suisse par un jugement entré en force ne peut être poursuivie une nouvelle fois pour la même infraction.
2.2 Il ressort de l'état de fait à la base de l'arrêt Zolotoukhine qu'emmené au poste de police le 4 janvier 2002 pour avoir tenté de faire entrer une femme dans un quartier militaire alors que cela était interdit, Sergueï Zolotoukhine, pris de boisson, injuria les policiers, n'obéit pas à leur injonction de cesser de troubler l'ordre public, puis tenta de s'échapper, au point que les policiers durent l'immobiliser et le menotter; par la suite, le prénommé proféra des insultes, ainsi que des menaces, à l'égard d'autres policiers. Le 4 janvier 2002, à raison de ces faits, le tribunal du district Gribanovski le reconnut coupable d'infraction à l'art. 158 du Code des infractions administratives de la Fédération de Russie, réprimant les actes perturbateurs mineurs, et le condamna à une peine de trois jours de détention administrative. Ce jugement est entré en force. Parallèlement, une procédure pénale a été ouverte contre Sergeï Zolotoukhine, prévenu, selon l'acte d'accusation du 5 avril 2002, d'actes perturbateurs, au sens de l'art. 213 par. 2 let. b du Code pénal de la Fédération de Russie (CPFR), de recours à la violence contre un agent public (art. 318 CPFR) et d'insulte à agent public (art. 319 CPFR). Le 2 décembre 2002, le tribunal du district Gribanovski libéra le prénommé de la prévention d'infraction à l'art. 213 par. 2 let. b CPFR, et le reconnut coupable au regard des art. 318 par. 1 et 319 du CPFR. Ce jugement, confirmé en appel, est entré en force. Par arrêt du 10 février 2009, la Grande Chambre de la Cour européenne des droits de l'homme (ci-après: la Cour européenne) a conclu à la violation du principe "ne bis in idem".
Dans son argumentation, la Cour européenne a relevé que la diversité des approches adoptées pour vérifier si l'infraction pour laquelle un requérant a été poursuivi était en fait la même que celle pour laquelle il avait déjà été acquitté ou condamné par un jugement définitif, était source d'une insécurité juridique incompatible avec ce droit fondamental qu'est le droit de ne pas être poursuivi deux fois pour la même infraction. Elle a décidé d'harmoniser l'interprétation de la notion de "même infraction" - l'élément "idem" du principe "ne bis in idem" - aux fins de l'art. 4 du Protocole n° 7 (arrêt précité, § 78). Elle a retenu à cet égard que l'approche qui privilégie la qualification juridique des deux infractions est trop restrictive des droits de la personne, car si la Cour européenne s'en tient au constat que l'intéressé a été poursuivi pour des infractions ayant une qualification juridique différente, elle risque d'affaiblir la garantie consacrée par l'art. 4 du Protocole n° 7 et non de la rendre concrète et effective comme le requiert la CEDH (arrêt précité, § 81). En conséquence, l'art. 4 du Protocole n° 7 doit être compris comme interdisant de poursuivre ou de juger une personne pour une seconde "infraction" pour autant que celle-ci a pour origine des faits identiques ou des faits qui sont en substance les mêmes (arrêt précité, § 82).
Il s'agit donc d'adopter une approche fondée strictement sur l'identité des faits matériels et de ne pas retenir la qualification juridique de ces faits comme critère pertinent.
2.3 Le droit suisse prévoit une double procédure pénale et administrative en matière de répression des infractions relatives à la circulation routière: le juge pénal se prononce sur les sanctions pénales (amende, peine pécuniaire, travail d'intérêt général ou peine privative de liberté) prévues par les dispositions pénales de la LCR (art. 90 ss LCR) et par le Code pénal (art. 34 ss, 106 et 107 CP), tandis que les autorités administratives compétentes décident de mesures administratives (avertissement ou retrait de permis) prévues par les art. 16 ss LCR.
La question à résoudre en l'espèce est uniquement celle de savoir si la double procédure pénale et administrative prévue par la LCR est conforme à l'interprétation de l'art. 4 ch. 1 du Protocole additionnel n° 7 à la CEDH, telle qu'elle ressort de l'arrêt Zolotoukhine.
2.3.1 Différents auteurs ont donné leur avis quant à la compatibilité d'une sanction pénale et d'une mesure de retrait du permis de conduire, au regard de l'arrêt Zolotoukhine. YVAN JEANNERET défend la thèse que le système instauré par la LCR, qui veut qu'une infraction routière peut faire successivement l'objet d'une sanction pénale (art. 90 ss LCR), puis d'un retrait d'admonestation du permis de conduire (art. 16 ss LCR), sous la seule réserve des cas sanctionnés par une amende d'ordre, contrevient à la règle "ne bis in idem" lorsque les faits à la base de la sanction pénale et de la mesure administrative sont identiques. Cet auteur invite le législateur à mettre fin au système dual, en intégrant le retrait d'admonestation du permis de conduire dans l'arsenal des peines placé à la disposition du juge pénal (YVAN JEANNERET, L'arrêt Zolotoukhine contre Russie ou la fin du retrait administratif du permis de conduire, RDAF 2010 I p. 263 ss).
HANSPETER MOCK s'est aussi interrogé sur les conséquences qu'aura la détermination du critère de l'identité des faits sur les ordres juridiques internes des Etats parties à la Convention, en particulier sur le fractionnement des procédures administrative et pénale qui ont cours en matière d'infractions aux règles de la circulation routière. Après avoir relevé que "la Suisse et sans doute d'autres pays pratiquant le fractionnement des procédures pourraient devoir modifier leur approche après l'arrêt [Zolotoukhine]", il a avancé "que des exceptions à l'unicité de la procédure devraient rester possibles, à tout le moins lorsque pour des raisons objectives et fondées, toutes les conséquences d'un acte délictueux ne peuvent pas être jugées ensemble. Ce sera à la jurisprudence à venir préciser ce qui est admissible à cet égard" (HANSPETER MOCK, Ne bis in idem: Strasbourg tranche en faveur de l'identité des faits, RTDH 2009, p. 867 ss, p. 879).
Quant à CÉDRIC MIZEL, il plaide en faveur du caractère conventionnel du retrait du permis de conduire suisse. Il est d'avis que les considérants de l'arrêt Zolotoukhine, qui concernent deux procédures sanctionnant un même état de fait, conduites par le même tribunal disposant des mêmes sanctions, ne s'appliquent pas à la double procédure de sanctions des infractions routières en Suisse, dont l'une présente un lien matériel et temporel très étroit avec l'autre sans pour autant que les autorités distinctes qui les conduisent disposent des mêmes compétences ni des mêmes types de sanctions (CÉDRIC MIZEL, Ne bis in idem: l'arrêt Zolotoukhine contre Russie ne s'applique pas au retrait du permis de conduire suisse, Revue interdisciplinaire de la Circulation routière 2011, p. 27 ss, p. 30).
2.3.2 Selon la jurisprudence constante du Tribunal fédéral, la double procédure pénale et administrative prévue en droit suisse pour les infractions relatives à la circulation routière ne viole pas le principe "ne bis in idem". En effet, l'application dudit principe suppose en particulier que le juge de la première procédure ait été mis en mesure d'apprécier l'état de fait sous tous ses aspects juridiques. Cette condition fait défaut en l'espèce en raison des pouvoirs de décision limités de chacune des autorités compétentes. Ainsi, seules les deux autorités prises ensemble peuvent examiner l'état de fait dans son intégralité sous tous ses aspects juridiques (ATF 125 II 402 consid. 1b p. 404 s.).
Le Tribunal fédéral a toutefois précisé que l'autorité administrative statuant sur un retrait du permis de conduire ne peut, en principe, pas s'écarter des constatations de fait d'un prononcé pénal entré en force. La sécurité du droit commande en effet d'éviter que l'indépendance du juge pénal et du juge administratif ne conduise à des jugements opposés, rendus sur la base des mêmes faits (ATF 109 Ib 203 consid. 1 p. 204; 96 I 766 consid. 4 p. 774). L'autorité administrative ne peut s'écarter du jugement pénal qu'à certaines conditions (ATF 129 II 312 consid. 2.4 p. 315; 123 II 97 consid. 3c/aa p. 104).
2.3.3 En matière d'infractions aux règles de la circulation routière, la Cour européenne s'est déjà prononcée sur la dualité des procédures administrative et pénale. Après avoir relevé que l'annulation du permis de conduire revêt, par son degré de gravité, un caractère punitif et dissuasif et s'apparente à une sanction pénale, elle a considéré que le retrait du permis de conduire ordonné par une autorité administrative, consécutivement à une condamnation pénale à raison des mêmes faits, n'emporte pas une violation de l'art. 4 du Protocole n° 7, lorsque la mesure administrative découle de manière directe et prévisible de la condamnation, dont elle ne constitue que la conséquence (arrêt Nilsson contre Suède du 13 décembre 2005 n° 73661/01 Recueil CourEDH 2005-XIII p. 333 ss; arrêt R.T. contre Suisse du 30 mai 2000, in: JAAC 64.152). L'étroite connexion entre les deux sanctions a amené la Cour européenne à conclure que la mesure administrative s'apparente à une peine complémentaire à la condamnation pénale, dont elle fait partie intégrante (arrêt Maszni contre Roumanie du 21 septembre 2006 § 69 et les arrêts cités).
2.4 Si l'arrêt Zolotoukhine a clarifié l'application du principe "ne bis in idem" en tranchant en faveur du critère de l'identité des faits, il ne s'est pas prononcé sur le cumul des procédures administrative et pénale en matière d'infractions contre la circulation routière. Ce domaine est particulier à différents titres. D'abord, même si le retrait du permis de conduire présente un caractère pénal (ATF 128 II 173 consid. 3c p. 176 et les arrêts cités), il s'agit d'une sanction administrative indépendante de la sanction pénale, avec une fonction préventive et éducative prépondérante (ATF 128 II 173 consid. 3c p. 177; 125 II 396 consid. 2a/aa p. 399). Son but principal est de garantir le respect des règles de la circulation routière et la sécurité des usagers de la route (voir également Message du 21 septembre 1998 concernant la modification du Code pénal suisse et du Code pénal militaire ainsi qu'une loi fédérale régissant la condition pénale des mineurs, FF 1999 p. 1787 ss, p. 1865).
Ensuite, le système dual prévu par la LCR, dans lequel le juge pénal n'est pas compétent pour ordonner le retrait du permis de conduire, mesure qui relève de l'autorité administrative, a pour conséquence que seul le concours des deux autorités permet de subsumer l'état de fait à toutes les règles juridiques. Toutes les conséquences de l'acte délictueux ne pouvant pas être jugées ensemble, deux autorités aux compétences distinctes, ne disposant pas du même type de sanction, poursuivant des buts distincts, sont successivement amenées à statuer sur le même état de fait dans le contexte de deux procédures distinctes. Tel n'est pas le cas du système sanctionné par l'arrêt Zolotoukhine, dont les considérants se rapportent à deux procédures (administrative et pénale) sanctionnant un même état de fait, conduites par le même tribunal disposant des mêmes sanctions.
Dans ces circonstances, il est difficile de savoir si, en rendant l'arrêt Zolotoukhine, la Cour européenne a voulu remettre en cause l'arrêt topique Nilsson contre Suède susmentionné, au regard duquel la coexistence des procédures administrative et pénale en matière de répression d'infractions routières ne viole pas le principe "ne bis in idem". On ne peut pas non plus déduire du bref paragraphe 82 de l'arrêt Zolotoukhine (cf. supra consid. 2.2) que toutes les doubles procédures prévues par les systèmes légaux soient à proscrire.
De surcroît, ce raisonnement est renforcé par le fait que le législateur fédéral a clairement rejeté la proposition de transférer le retrait d'admonestation au juge pénal. Dans le cadre de la révision de la partie générale du Code pénal, lors de la procédure de consultation, la proposition de transférer le retrait du permis de conduire au juge pénal n'a recueilli l'adhésion que de la moitié des cantons environ et a été rejetée par la quasi-unanimité des organisations et services spécialisés (Message du 21 septembre 1998 précité, p. 1865). Dans la procédure de consultation relative au projet de révision de la LCR, 23 cantons ont souhaité que le conducteur fautif puisse faire l'objet d'une procédure administrative indépendante de la procédure pénale (Message du 21 septembre 1998 précité, p.1865). Dans son Message, le Conseil fédéral a notamment relevé que la pratique suisse était très bien acceptée et que tel qu'il était prévu dans la LCR, le retrait inconditionnel du permis de conduire représentait une mesure d'intérêt public très efficace (Message du 21 septembre 1998 précité, p. 1866).
Plus récemment, le Conseil fédéral a décidé que les tribunaux de la circulation - dont la création simplifierait, rationaliserait et unifierait les procédures concernant les infractions aux règles de la circulation routière - ne pouvaient être institués contre la résistance claire de 22 cantons (Message du 20 octobre 2010 concernant Via sicura, le programme d'action de la Confédération visant à renforcer la sécurité routière, FF 2010 p. 7703 ss, p. 7745).
Par conséquent, il n'y a pas lieu de s'écarter de la jurisprudence prévalant jusqu'à ce jour. Ce d'autant moins que la procédure pénale fédérale et les procédures administratives cantonales assurent toutes les garanties juridiques au sens des art. 29 à 30 Cst. et 6 CEDH.
3. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Les frais judiciaires sont 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 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 26 septembre 2011
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Tornay Schaller