Faits:
A. En 2003, la municipalité de Villars-Ste-Croix a entrepris une révision de son plan général d'affectation, de son règlement communal sur le plan général d'affectation et la police des constructions (ci-après: le règlement communal), ainsi que des plans partiels d'affectation "Au Village" et "En Coulaye". A cette occasion, elle a décidé de réaffecter à la zone agricole les parcelles encore libres de constructions sises à l'intérieur de l'échangeur autoroutier de Villars-Ste-Croix. Ce changement d'affectation concernait notamment des bien-fonds appartenant à B._ et C._, à savoir les parcelles n° 137 et 138 du registre foncier de Villars-Ste-Croix, d'une surface d'environ 9'000 m2 et sises en zone à bâtir (zone de villas A), et la parcelle n° 136, d'une surface d'environ 10'800 m2 et classée en zone intermédiaire. En compensation, il est prévu que les droits à bâtir des prénommés soient reportés sur la parcelle n° 59 et sur une partie de la parcelle n° 51, dont ils sont également propriétaires. Ces deux bien-fonds ont une surface de 15'865 m2, dont 11'139 m2 sont classés en zone agricole et le solde en zone à bâtir (zone de villas B). Le transfert de ces droits à bâtir a fait l'objet du projet de plan partiel d'affectation "En Coulaye".
Mis à l'enquête publique du 23 mai au 22 juin 2006, ce projet a suscité l'opposition de A._, propriétaire de la parcelle n° 56 du registre foncier de Villars-Ste-Croix, qui jouxte les parcelles n° 51 et 59. Le 2 novembre 2006, le Conseil communal de Villars-Ste-Croix a rejeté cette opposition et adopté le plan partiel d'affectation "En Coulaye". Le Département cantonal des institutions et des relations extérieures l'a approuvé par décision du 18 décembre 2006. A._ a recouru contre ces deux décisions auprès du Tribunal administratif du canton de Vaud. Cette autorité a admis le recours par arrêt du 31 août 2007, considérant en substance que la procédure relative au plan partiel d'affectation litigieux ne pouvait pas être disjointe de celles qui concernaient le plan général d'affectation, le règlement communal et le plan partiel d'affectation "Au Village".
B. Les projets relatifs à ces trois derniers éléments ont été mis à l'enquête publique du 21 mars au 19 avril 2007. Le 12 avril 2007, A._ a formé une opposition, que le Conseil général de Villars-Ste-Croix a levée le 7 février 2008. Le même jour, cette autorité a adopté le plan général d'affectation, le règlement communal et le plan partiel d'affectation "Au Village", qui ont été approuvés par le département compétent le 11 mai 2009. Le plan général d'affectation adopté prévoit à l'ouest du village une "zone à occuper par plan spécial" correspondant au périmètre du plan partiel d'affectation "En Coulaye", avec la précision suivante: "PPA "En Coulaye" (en cours d'approbation)".
A._ a recouru contre ces décisions auprès du Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public (qui a remplacé le Tribunal administratif; ci-après: le Tribunal cantonal). Par arrêt du 11 janvier 2010, le Tribunal cantonal a rejeté ce recours. Il a considéré en substance que le plan général d'affectation contesté respectait les art. 14 et 21 al. 2 de la loi sur l'aménagement du territoire du 22 juin 1979 (LAT; RS 700), de même que l'art. 29 de l'ordonnance sur la protection contre le bruit (OPB; RS 814.41).
C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler cet arrêt et de renvoyer la cause à l'autorité intimée pour nouvelle décision dans le sens des considérants. Il se plaint d'une violation des art. 15, 21 et 33 LAT ainsi que des art. 29 et 44 OPB. Il invoque également une violation de son droit d'être entendu. Le Tribunal cantonal conclut au rejet du recours, en renvoyant aux considérants de l'arrêt attaqué. Le Service cantonal de l'environnement et de l'énergie a présenté des observations. Le Service cantonal du développement territorial ne s'est pas déterminé, pas plus que B._ et C._. Au terme de ses observations, la Commune de Villars-Ste-Croix conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de l'environnement s'est déterminé. A._ a présenté des observations complémentaires.
Considérant en droit:
1. Dirigé contre une décision rendue dans le domaine du droit public de l'aménagement du territoire, le recours est recevable comme recours en matière de droit public conformément aux art. 82 ss de la loi sur le Tribunal fédéral (LTF; RS 173.110) auxquels renvoie l'art. 34 al. 1 LAT; ATF 133 II 353 consid. 2 p. 356, 249 consid. 1.2 p. 251), aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'étant réalisée. Le recourant est propriétaire d'une parcelle directement voisine du secteur destiné à être nouvellement classé en zone à bâtir, de sorte qu'il a la qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF. Pour le surplus, interjeté en temps utile et dans les formes requises contre une décision finale prise en dernière instance cantonale non susceptible de recours devant le Tribunal administratif fédéral, le recours est recevable au regard des art. 42, 86 al. 1 let. d, 90 et 100 al. 1 LTF.
2. Dans un grief d'ordre formel qu'il convient d'examiner en premier lieu, le recourant se plaint d'une violation de son droit d'être entendu, au motif qu'il n'aurait pas eu la possibilité de s'exprimer sur un élément important avant que la décision litigieuse ne soit prise. Il se plaint également dans ce cadre d'une violation de l'art. 33 LAT.
2.1 Tel qu'il est garanti par l'art. 29 al. 2 Cst., le droit d'être entendu comprend notamment le droit de toute partie de s'exprimer sur les éléments pertinents avant qu'une décision ne soit prise touchant sa situation juridique (ATF 135 II 286 consid. 5.1 p. 293; 129 II 497 consid. 2.2 p. 504 s.; 124 II 132 consid. 2b p. 137 et les références citées). Par ailleurs, aux termes de l'art. 33 LAT, les plans d'affectation sont mis à l'enquête publique (al. 1) et le droit cantonal prévoit au moins une voie de recours contre les décisions et les plans d'affectation fondés sur la LAT et sur les dispositions cantonales et fédérales d'exécution (al. 2). Ces règles sont applicables à tous les types de plans d'affectation (ATF 131 III 414 consid. 2.3 p. 416; 111 Ib 9 consid. 3 p. 12 s.; Heinz Aemisegger/Stephan Haag, in Commentaire de la Loi fédérale sur l'aménagement du territoire, 2009, n. 7 ad art. 33 LAT et les références).
2.2 En substance, le recourant se plaint du fait que le plan général d'affectation litigieux "définit la zone incriminée comme étant affectée à la zone à bâtir" alors que l'approbation du plan partiel d'affectation "En Coulaye" relatif à cette zone a été annulée par le Tribunal administratif par arrêt du 31 août 2007. Il en déduit que l'autorité intimée a "procédé à une modification du plan qui a été mis à l'enquête publique" sans en informer quiconque, de sorte qu'il aurait été mis devant le fait accompli. Le recourant perd de vue que le Tribunal administratif a annulé l'approbation du plan partiel d'affectation "En Coulaye" pour des motifs de coordination et non pour des motifs matériels. De plus, l'arrêt du 31 août 2007 n'exige pas une modification du plan et il ne remet pas en cause le classement en zone constructible des parcelles litigieuses. Cette nouvelle affectation a donc bien fait l'objet d'une mise à l'enquête et le recourant a eu tout loisir de s'exprimer sur ce point dans le cadre de son opposition du 20 juin 2006 et de son recours du 8 janvier 2007 au Tribunal administratif. Au demeurant, si ce plan devait, par hypothèse, subir des modifications, il va de soi que celles-ci devraient faire l'objet d'une nouvelle mise à l'enquête et que le recourant conserve le droit de recourir contre la nouvelle approbation du plan, à tout le moins sur les aspects qui n'auraient pas été réglés par la présente procédure. En définitive, son droit d'être entendu n'a pas été violé, pas plus que les prescriptions de l'art. 33 LAT sur la mise à l'enquête publique.
3. Le recourant se plaint d'une violation de l'art. 15 LAT, au motif que l'autorité intimée aurait validé la classification d'une partie des parcelles litigieuses en zone à bâtir alors qu'une nouvelle procédure de classement en zone à bâtir définitive était nécessaire.
3.1 Aux termes de l'art. 15 LAT, les zones à bâtir comprennent les terrains propres à la construction qui sont déjà largement bâtis (let. a) ou qui seront probablement nécessaires à la construction dans les quinze ans à venir et seront équipés dans ce laps de temps (let. b). Selon la jurisprudence, si un terrain se prête à la construction et s'il répond à la définition de l'art. 15 LAT, il n'est pas conforme au droit fédéral de le classer formellement en zone à bâtir mais d'exiger une nouvelle procédure complète de révision du plan d'affectation avant la délivrance d'une autorisation de construire. Avec ce système, le premier classement en zone à bâtir n'aurait pas de véritable portée car il serait d'abord, pour une période indéterminée, sans effet concret pour le propriétaire, puis il pourrait être remis en question par l'autorité compétente dans la seconde procédure de planification (ATF 131 II 151 consid. 2.3 p. 156; 123 I 175 consid. 3e/aa p. 188; 118 Ia 165 consid. 3c p. 172; 115 Ia 333 consid. 6a p. 341; 112 Ia 155 consid. 2c-f p. 158 ss et les références).
3.2 Le cas d'espèce se distingue des situations visées par la jurisprudence précitée. En effet, le plan d'affectation litigieux ne classe pas formellement les parcelles concernées en zone à bâtir, mais il se réfère à cet égard au plan partiel d'affectation "En Coulaye" qui affecte les parcelles en cause à la zone constructible. Or, ce plan partiel d'affectation a déjà été réalisé et mis à l'enquête publique, son adoption ayant été annulée uniquement pour garantir la coordination avec le plan litigieux (cf. supra consid. 2.2). Dans ces conditions, il n'y aura pas à proprement parler de nouvelle procédure de planification et l'on ne saurait considérer que le plan général d'affectation litigieux a pour effet de créer une zone à bâtir dénuée de portée pour une période indéterminée. Au demeurant, quand bien même ils n'ont pas été adoptés formellement en même temps, ce qui aurait été préférable, le plan général d'affectation et le plan partiel d'affectation "En Coulaye" sont étroitement liés et ils font partie du même projet de planification, de sorte que les inconvénients mentionnés par la jurisprudence qu'invoque le recourant ne sont pas réalisés. L'art. 15 LAT n'a donc pas été violé, si bien que ce grief doit être rejeté.
4. Invoquant une violation des art. 15 et 21 LAT, le recourant allègue par ailleurs que l'adaptation du plan d'affectation de la Commune de Villars-Ste-Croix ne repose pas sur une étude suffisante des besoins en terrains constructibles pour les quinze années à venir.
4.1 Selon l'art. 21 al. 1 LAT, les plans d'affectation ont force obligatoire pour chacun. L'art. 21 al. 2 LAT précise que les plans d'affectation font l'objet des adaptations nécessaires lorsque les circonstances se sont sensiblement modifiées. En énonçant à l'art. 21 al. 2 LAT un principe pour l'adaptation des plans d'affectation en vigueur, le législateur fédéral a choisi une solution de compromis entre deux exigences contradictoires: d'une part, l'aménagement du territoire étant un processus continu, et la détermination des différentes affectations impliquant des pesées d'intérêts fondées sur des circonstances changeantes et des pronostics qui ne se confirment jamais entièrement, l'adaptation périodique des plans d'affectation est indispensable pour assurer, progressivement, leur conformité aux exigences légales; d'autre part, il faut tenir compte des intérêts privés et publics dont la protection nécessite une certaine sécurité juridique. Pour apprécier l'évolution des circonstances et la nécessité d'adapter un plan d'affectation, une pesée des intérêts s'impose. L'intérêt à la stabilité du plan, que les propriétaires fonciers peuvent invoquer dans certaines circonstances, doit être mis en balance avec l'intérêt à l'adoption d'un nouveau régime d'affectation, qui peut lui aussi être protégé par la garantie de la propriété. Selon les cas, des intérêts publics pourront également justifier soit la stabilité du plan, soit son adaptation. Il incombe donc à l'autorité appelée à statuer sur un projet de modification d'un plan en vigueur d'examiner, en fonction des circonstances concrètes, une pluralité d'intérêts (ATF 132 II 408 consid. 4.2 p. 413 et la jurisprudence citée).
4.2 En l'occurrence, la pesée des intérêts effectuée par le Tribunal cantonal n'est pas véritablement discutée par le recourant, qui se limite à déplorer l'absence d'étude scientifique concrète du développement de la commune pour les quinze prochaines années. Il ne démontre cependant pas en quoi une telle étude était indispensable pour apprécier la situation litigieuse. Par ailleurs, le Tribunal cantonal a procédé à une appréciation complète des circonstances du cas d'espèce, considérant notamment que l'extension de la zone à bâtir dans le secteur "En Coulaye" était conforme aux planifications directrices, tant au plan communal que régional. Il a en outre estimé qu'elle apparaissait judicieuse, ce d'autant plus que l'affectation à la zone à bâtir de ce secteur était compensée par le fait que deux parcelles sise à l'intérieur de l'échangeur autoroutier allaient passer de la zone à bâtir à la zone agricole.
Contrairement à ce que semble soutenir le recourant, le critère du besoin prévisible en zones à bâtir n'est pas le seul à prendre en compte pour déterminer si une nouvelle planification est justifiée. Ce critère revêt d'autant moins d'importance en l'espèce que la planification litigieuse n'aboutit pas à une véritable extension de la zone constructible dans la commune concernée. En effet, le classement du secteur litigieux en zone à bâtir est compensé par le déclassement des parcelles n° 136, 137 et 138 en zone agricole. Le Tribunal cantonal relève à cet égard, sans être contredit sur ce point, que ce sont ainsi 9'900 m2 de terrain qui passeront de la zone à bâtir à la zone agricole, contre seulement 5'860 m2 qui seront nouvellement affecté à la zone à bâtir. En définitive, la pesée des intérêts effectuée par le Tribunal cantonal ne prête pas le flanc à la critique et elle peut être confirmée, si bien qu'il y a lieu de constater que les art. 15 et 21 LAT n'ont pas été violés.
5. Le recourant se plaint enfin d'une violation des art. 29 et 44 OPB. Il fait grief au Tribunal cantonal d'avoir retenu à tort que les valeurs de planification étaient respectées et d'avoir omis d'examiner la question des degrés de sensibilité au bruit pour le secteur litigieux.
5.1 L'art. 29 OPB prévoit que les nouvelles zones à bâtir destinées à des bâtiments comprenant des locaux à usage sensible au bruit ne peuvent être délimitées qu'en des secteurs où les immissions de bruit ne dépassent pas les valeurs de planification ou en des secteurs dans lesquels des mesures de planification, d'aménagement ou de construction permettent de respecter ces valeurs. Quant à l'art. 44 OPB, il prévoit que les cantons veillent à ce que les degrés de sensibilité soient attribués aux zones d'affectation dans les règlements de construction ou les plans d'affectation communaux (al. 1), que les degrés de sensibilité doivent être attribués lors de la délimitation ou de la modification des zones d'affectation ou lors de la modification des règlements de construction (al. 2) et que, avant l'attribution, les degrés de sensibilité doivent être déterminés cas par cas par les cantons (al. 3).
5.2 En l'occurrence, le Tribunal cantonal a relevé qu'il était douteux que l'art. 29 OPB puisse être invoqué à ce stade, le secteur litigieux ne pouvant pas encore être considéré comme une zone à bâtir. Il s'est par ailleurs référé à l'avis du Service cantonal de l'environnement, qui a confirmé que le projet de plan partiel d'affectation "En Coulaye" respectait les exigences légales en matière de protection contre le bruit, même en tenant compte de l'augmentation du trafic autoroutier intervenue depuis l'étude acoustique menée en janvier 2006. Ce service rappelait en outre que le projet en question exigeait des mesures de protection contre le bruit ainsi qu'une nouvelle étude acoustique, de sorte qu'il ne devrait pas poser de problème sous l'angle de l'art. 29 OPB.
Invité à se déterminer, l'Office fédéral de l'environnement confirme ce point de vue. Il relève d'abord que si le plan d'affectation est établi en plusieurs étapes, comme c'est le cas en l'espèce, les mesures de protection contre le bruit doivent être fixées de manière contraignantes seulement lors de l'étape de la planification qui permet l'octroi d'un permis de construire sans autre plan d'affectation des zones. Au stade actuel, il doit néanmoins être établi qu'une solution pourra être trouvée dans le cadre de la planification ultérieure (preuve de la faisabilité), ce qui est le cas en l'occurrence compte tenu des mesures prévues par le plan partiel d'affectation "En Coulaye". L'Office fédéral de l'environnement relève encore que le projet de plan partiel d'affectation en cause prévoit à juste titre d'attribuer un degré de sensibilité III aux parcelles n° 51 et 59 et il estime admissible de renvoyer l'attribution de ce degré de sensibilité à l'étape de l'adoption du plan partiel d'affectation.
On ne voit pas ce qui justifierait de s'écarter de cette appréciation. Le recourant remet en doute le respect des valeurs de planification, en se prévalant d'une augmentation du trafic autoroutier près du secteur concerné. Il omet cependant de prendre en compte les mesures prévues par le plan partiel d'affectation et il perd de vue que c'est au stade de l'adoption de ce plan que la question doit être définitivement tranchée. Au stade actuel, comme l'ont relevé tant le service cantonal compétent que l'Office fédéral de l'environnement, il apparaît établi qu'une solution pourra être trouvée pour garantir le respect des normes de protection contre le bruit. Enfin, la détermination du degré de sensibilité au bruit dans le plan partiel d'affectation n'apparaît pas en contradiction avec l'art. 44 OPB, étant rappelé que la présente planification se fait en plusieurs étapes et que le changement d'affectation du secteur litigieux sera concrétisé par l'adoption du plan partiel d'affectation y relatif. Il y a donc lieu de constater que les art. 29 et 44 OPB n'ont pas été violés.
6. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Le recourant, qui succombe, doit supporter les frais judiciaires (art. 66 al. 1 LTF). Il n'y a pas lieu d'allouer de dépens aux intimés, qui ne se sont pas déterminés (art. 68 al. 1 LTF). La Commune de Villars-Ste-Croix n'a pas droit à des dépens (art. 68 al. 3 LTF; ATF 134 II 117 consid. 7 p. 119).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Il n'est pas alloué de dépens.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties, à la Commune de Villars-Ste-Croix, au Département de l'économie du canton de Vaud, Service du développement territorial, au Département de la sécurité et de l'environnement du canton de Vaud, Service de l'environnement et de l'énergie, au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public, et à l'Office fédéral de l'environnement, Division Droit.
Lausanne, le 19 novembre 2010
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
Féraud Rittener