Faits:
A. K._, né en 1948, a travaillé en qualité de représentant/chauffeur-livreur depuis 1988 auprès de la société X._ SA. Souffrant notamment d'une coxarthrose à gauche, traitée par une arthroplastie, il a subi des périodes d'incapacité de travail et déposé une demande de prestations de l'assurance-invalidité le 27 juillet 2006. Le 2 octobre 2006, il a repris une activité à 50 % auprès de son employeur.
Dans le cadre de l'instruction, l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: office AI) a recueilli les avis des médecins traitants et soumis l'assuré à un examen clinique orthopédique réalisé par le docteur S._ du Service médical régional AI (SMR). Ce praticien a conclu que le métier de chauffeur-livreur, inadapté à l'état de santé de l'assuré, n'était plus exigible qu'à 50 %; en revanche, la capacité de travail de ce dernier était entière dans un travail sédentaire ou semi-sédentaire (sans port de charges supérieures à 15 kg, ni longs déplacements, ni travaux penchés ou en porte-à-faux; rapport du 14 mai 2008). Suivant en partie les conclusions de son confrère, le docteur M._ du SMR a exclu toute capacité de travail dans l'activité habituelle et reconnu une pleine capacité de travail dans une activité adaptée à partir du 2 octobre 2006 (rapport du 22 mai 2008). Par décision du 9 décembre 2008, l'office AI a alloué à l'assuré une rente entière d'invalidité limitée dans le temps, du 1er juillet 2006 au 31 janvier 2007, et nié le droit à une rente au-delà de cette date, dès lors que le taux d'invalidité n'était plus que de 27 % à partir du 2 octobre 2006.
B. L'intéressé a déféré cette décision au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales, qui l'a débouté par jugement du 1er juillet 2010.
C. K._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il demande l'annulation. Il conclut, sous suite de frais et dépens, au renvoi de la cause au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales, 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. Le recours en matière de droit public peut être formé 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), sans être limité par les arguments du recourant ou par la motivation de l'autorité précédente. Le Tribunal fédéral n'examine en principe que les griefs invoqués, compte tenu de l'exigence de motivation prévue à l'art. 42 al. 2 LTF, et ne peut aller au-delà des conclusions des parties (art. 107 al. 1 LTF). Il fonde son raisonnement sur les faits retenus par la juridiction de première instance (art. 105 al. 1 LTF), sauf s'ils ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF (art. 105 al. 2 LTF). Le recourant qui entend s'écarter des faits constatés doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions de l'art. 105 al. 2 LTF sont réalisées sinon un état de fait divergent ne peut être pris en considération.
2. Le litige porte sur le droit du recourant à une rente de l'assurance-invalidité au-delà du 31 janvier 2007.
3. Se fondant sur les conclusions du docteur M._, la juridiction cantonale a retenu que l'état de santé du recourant s'était amélioré à partir du 2 octobre 2006, date à laquelle il avait repris une activité à 50 % chez son employeur. Elle a considéré qu'à partir de ce moment l'assuré était en mesure d'exercer à plein temps une activité adaptée à ses limitations fonctionnelles. Confirmant la comparaison des revenus effectuée par l'office AI dont résultait un taux d'invalidité inférieur à 40 %, elle a nié le droit de l'intéressé à une rente d'invalidité au-delà du 31 janvier 2007 (art. 88a al. 1 RAI).
4. Le recourant ne conteste pas avoir recouvré une capacité de travail entière dans une activité adaptée dès le 2 octobre 2006. En revanche, il soutient qu'on ne saurait exiger de sa part un changement de profession en raison de son âge avancé et reproche aux premiers juges d'avoir violé le droit fédéral en n'examinant pas la question de l'exigibilité d'une reconversion professionnelle compte tenu de son âge proche de celui donnant droit à la rente de vieillesse. Invoquant une appréciation arbitraire des faits, il fait également grief à la juridiction de première instance de s'être appuyée, à la suite de l'intimé, sur les conclusions des docteurs S._ et M._. Selon lui, pour déterminer si l'activité exercée en dernier lieu était adaptée à son handicap, ces médecins se sont basés à tort sur le questionnaire pour l'employeur du 25 août 2006, selon lequel il était amené à porter des charges de 25 kg 80 fois par jour, celui-ci n'étant plus d'actualité.
5. Lorsqu'il s'agit d'examiner dans quelle mesure un assuré peut encore exploiter économiquement sa capacité de gain résiduelle sur le marché du travail entrant en considération pour lui (art. 16 LPGA), on ne saurait subordonner la concrétisation des possibilités de travail et des perspectives de gain à des exigences excessives. Il s'ensuit que pour évaluer l'invalidité, il n'y a pas lieu d'examiner la question de savoir si un invalide peut être placé eu égard aux conditions concrètes du marché du travail, mais uniquement de se demander s'il pourrait encore exploiter économiquement sa capacité résiduelle de travail lorsque les places de travail disponibles correspondent à l'offre de la main d'oeuvre (arrêt I 198/97 du 7 juillet 1998 consid. 3b et les références, in VSI 1998 p. 293).
S'il est vrai que des facteurs tels que l'âge, le manque de formation ou les difficultés linguistiques jouent un rôle non négligeable pour déterminer dans un cas concret les activités que l'on peut encore raisonnablement exiger d'un assuré, ils ne constituent pas, en règle générale, des circonstances supplémentaires qui, à part le caractère raisonnablement exigible d'une activité, sont susceptibles d'influencer l'étendue de l'invalidité, même s'ils rendent parfois difficile, voire impossible la recherche d'une place et, partant, l'utilisation de la capacité de travail résiduelle (arrêt I 377/98 du 28 juillet 1999 consid. 1 et les références, in VSI 1999 p. 246). Toutefois, lorsqu'il s'agit d'évaluer l'invalidité d'un assuré qui se trouve proche de l'âge donnant droit à la rente de vieillesse, il faut procéder à une analyse globale de la situation et se demander si, de manière réaliste, cet assuré est en mesure de retrouver un emploi sur un marché équilibré du travail. Cela revient à déterminer, dans le cas concret qui est soumis à l'administration ou au juge, si un employeur potentiel consentirait objectivement à engager l'assuré, compte tenu notamment des activités qui restent exigibles de sa part en raison d'affections physiques ou psychiques, de l'adaptation éventuelle de son poste de travail à son handicap, de son expérience professionnelle et de sa situation sociale, de ses capacités d'adaptation à un nouvel emploi, du salaire et des contributions patronales à la prévoyance professionnelle obligatoire, ainsi que de la durée prévisible des rapports de travail (cf. arrêts 9C_918/2008 du 28 mai 2009 consid. 4.2.2; 9C_437/2008 du 19 mars 2009 consid. 4 et I 819/04 du 27 mai 2005 consid. 2.2 et les références).
6. 6.1 Selon les constatations de la juridiction cantonale, qui lient le Tribunal fédéral (supra consid. 1), le recourant disposait d'une pleine capacité de travail dans une activité adaptée à ses problèmes de santé depuis le 2 octobre 2006. En ce qui concerne l'activité exercée auprès de l'employeur après la survenance de l'atteinte à la santé - et il convient de compléter les faits à ce sujet (cf. art. 105 al. 2 LTF) -, même dans l'hypothèse où le travail en tant que tel correspondait aux limitations fonctionnelles du recourant, celui-ci n'y exploitait pourtant pas pleinement sa capacité de travail résiduelle dans la mesure que l'on pouvait attendre de lui.
6.2 Il convient encore d'examiner si le recourant, conformément au grief qu'il invoque, peut être tenu de changer de profession compte tenu de son âge. La question de savoir à quel moment on doit se placer pour apprécier les chances d'un assuré de retrouver un emploi en fonction de son âge n'a pas été tranchée et peut ici rester ouverte (cf. arrêts 9C_949/2008 du 2 juin 2009 consid. 2; 9C_651/2008 du 9 octobre 2009 consid. 6.2.2.2). En effet, que l'on retienne le moment où la modification du droit à la rente prend effet ou le moment de la décision litigieuse, le recourant, alors âgé de 58 ans, respectivement de 60 ans, n'avait pas atteint le seuil à partir duquel la jurisprudence considère généralement qu'il n'existe plus de possibilité réaliste d'exploiter la capacité résiduelle de travail sur un marché du travail supposé équilibré (cf. arrêt 9C_651/2008 du 9 octobre 2009 consid. 6.2.2.2). A l'appui de son argumentation, le recourant se réfère certes à trois arrêts (arrêts 9C_578/2009 du 29 décembre 2009; 9C_651/2008 du 9 octobre 2009; 9C_612/2007 du 14 juillet 2008) dans lesquels le Tribunal fédéral avait constaté l'impossibilité pour l'assuré de se reconvertir dans une nouvelle profession. Toutefois, les circonstances du cas d'espèce ne sont pas comparables à celles des cas cités par le recourant. En l'occurrence, avant d'être au service du même employeur pendant 20 ans, il a exercé le métier de serveur pour plusieurs employeurs. Il a donc déjà été confronté au moins une fois au cours de son parcours professionnel à un changement d'activité. Au demeurant, il ne ressort du dossier aucun élément mettant en évidence d'éventuelles difficultés d'adaptation que présenterait l'intéressé - lequel n'a, par ailleurs, apporté aucun indice qui permettrait d'en douter. De surcroît, on ne saurait assimiler le cas d'espèce à la situation de la personne qui a toujours travaillé en qualité d'indépendant et doit, malgré un âge avancé, réintégrer le marché de l'emploi en tant que salarié.
6.3 Finalement, on soulignera que compte tenu des limitations fonctionnelles décrites par les médecins, le nouveau poste de travail n'impliquerait pas nécessairement d'adaptations particulières. A ce sujet, comme le soulève le recourant, on peut regretter que l'office AI n'ait mentionné aucune activité exigible au cours de l'instruction. Cette omission ne permet toutefois pas de retenir que les premiers juges auraient apprécié les faits de façon arbitraire ou violé le droit fédéral. Vu le large éventail d'activités simples et répétitives (qui correspondent à un emploi léger respectant les limitations fonctionnelles observées) que recouvre le marché du travail en général - et le marché du travail équilibré en particulier - (arrêt I 383/06 du 5 avril 2007 consid. 4.4), on constate qu'un nombre significatif d'entre elles, ne nécessitant aucune formation spécifique, sont adaptées aux problèmes physiques du recourant. Au demeurant, elles sont, en règle générale, disponibles indépendamment de l'âge de l'intéressé sur le marché équilibré du travail (arrêts 9C_646/2010 du 23 février 2011 consid. 4 et 8C_657/2010 du 19 novembre 2010 consid. 5.2.3). A titre d'exemples, on peut citer les activités de surveillant de machines, gardien de parking ou ouvrier d'usine.
7. Au vu de ce qui précède, la juridiction cantonale était en droit d'exiger du recourant qu'il change de profession pour qu'il mette à profit l'entier de sa capacité de travail résiduelle. Etant donné ses constatations sur l'amélioration de l'état de santé et de la capacité de gain de l'intéressé à partir du 2 octobre 2006, c'est à juste titre qu'elle a nié le droit du recourant au maintien d'une rente d'invalidité au-delà du 31 janvier 2007.
8. Vu l'issue du litige, 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 15 mars 2011
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Meyer Reichen