Faits :
A.
Par jugement du 9 octobre 2019, le Tribunal de police de l'arrondissement de Lausanne a reconnu A._ coupable de violations graves des règles de la circulation routière (excès de vitesse des 5 avril et 9 novembre 2016) et l'a condamné à une peine pécuniaire de 90 jours-amende à 150 fr. le jour, avec sursis pendant 3 ans, ainsi qu'à une amende de 2'500 francs.
B.
Par jugement du 16 juillet 2020, la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal vaudois a partiellement admis l'appel formé par A._. Elle l'a reconnu coupable de violation grave des règles de la circulation routière (art. 90 al. 2 LCR) pour le seul excès de vitesse du 9 novembre 2016, ramenant la peine pécuniaire à 50 jours-amende à 150 fr., avec sursis, et l'amende à 1'250 francs.
B.a. En substance, il était reproché à A._ d'avoir, à B._, sur la route C._, le 9 novembre 2016, à 15h25, circulé au volant de son véhicule BMW M5 à une vitesse de 77 km/h (marge de sécurité réduite), sur un tronçon limité à 50 km/h, dépassant de 27 km/h la vitesse maximale autorisée.
B.b. La photographie du radar permettait de distinguer un homme blanc, portant des lunettes. La photographie prise de dos montrait la BMW, à 15h25, sur la route C._, le clignoteur à gauche enclenché avant de tourner sur le chemin D._, où habitait A._.
Selon le rapport de la police de sûreté vaudoise du 17 mai 2017, le téléphone portable de A._ avait déclenché plusieurs cellules de E._, le 9 novembre 2016 à partir de 13h22 (rue F._, G._, quai H._), puis une cellule à I._ (chemin J._) à 14h21, à quelques centaines de mètres de son domicile. Son téléphone portable a déclenché une cellule à K._ (rue L._) à 15h14, trois fois la cellule de I._ (M._) entre 15h20 et 15h21 par une connexion internet et deux téléphones sortants, puis les cellules de M._ et chemin J._ à 15h25 par une connexion internet.
B.c. Le casier judiciaire suisse de A._ est vierge. Il fait l'objet de cinq inscriptions au fichier des mesures administratives en matière de circulation routière pour quatre excès de vitesse commis entre 2001 et 2010 et une autre faute de la circulation (cas de peu de gravité) en novembre 2012, ayant entraîné respectivement quatre retraits de permis et un avertissement.
C.
A._ forme un recours en matière pénale au Tribunal fédéral contre le jugement cantonal et conclut, avec suite de frais et dépens, à sa réforme en ce sens qu'il est libéré du chef d'accusation de violation grave des règles de la circulation routière, les frais étant laissés à la charge de l'État et une indemnité allouée en vertu de l'art. 429 CPP étant fixée à dire de justice.

Considérant en droit :
1.
Le recourant conteste avoir été au volant de la BMW dont il est détenteur au moment de l'excès de vitesse constaté le 9 novembre 2016. Il reproche à la cour cantonale d'avoir établi les faits de manière arbitraire et d'avoir violé le principe in dubio pro reo sur ce point.
1.1. Le Tribunal fédéral n'est pas une autorité d'appel, auprès de laquelle les faits pourraient être rediscutés librement. Il est lié par les constatations de fait de la décision entreprise (art. 105 al. 1 LTF), à moins que celles-ci n'aient été établies en violation du droit ou de manière manifestement inexacte au sens des art. 97 al. 1 et 105 al. 2 LTF, à savoir pour l'essentiel de façon arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. Une décision n'est pas arbitraire du seul fait qu'elle apparaît discutable ou même critiquable; il faut qu'elle soit manifestement insoutenable et cela non seulement dans sa motivation, mais aussi dans son résultat (<ref-ruling> consid. 1.3.1; <ref-ruling> consid. 1.1; <ref-ruling> consid. 2.3.1). En matière d'appréciation des preuves et d'établissement des faits, il n'y a arbitraire que lorsque l'autorité ne prend pas en compte, sans aucune raison sérieuse, un élément de preuve propre à modifier la décision, lorsqu'elle se trompe manifestement sur son sens et sa portée, ou encore lorsque, en se fondant sur les éléments recueillis, elle en tire des constatations insoutenables. Le Tribunal fédéral n'entre ainsi pas en matière sur les critiques de nature appellatoire (<ref-ruling> consid. 1.3.1; <ref-ruling> consid. 1.1; <ref-ruling> consid. 2.4 et les références citées).
La présomption d'innocence, garantie par les art. 10 CPP, 32 al. 1 Cst., 14 par. 2 Pacte ONU II et 6 par. 2 CEDH, ainsi que son corollaire, le principe "in dubio pro reo", concernent tant le fardeau de la preuve que l'appréciation des preuves au sens large (<ref-ruling> consid. 2.2.3.1 p. 348 s.; <ref-ruling> consid. 2a p. 40 s.). En tant que règle sur le fardeau de la preuve, elle signifie, au stade du jugement, que le fardeau de la preuve incombe à l'accusation et que le doute doit profiter au prévenu. Comme règle d'appréciation des preuves (sur la portée et le sens précis de la règle sous cet angle, cf. <ref-ruling> consid. 2.2.3.3 p. 351 s.), la présomption d'innocence signifie que le juge ne doit pas se déclarer convaincu de l'existence d'un fait défavorable à l'accusé si, d'un point de vue objectif, il existe des doutes quant à l'existence de ce fait. Il importe peu qu'il subsiste des doutes seulement abstraits et théoriques, qui sont toujours possibles, une certitude absolue ne pouvant être exigée. Il doit s'agir de doutes sérieux et irréductibles, c'est-à-dire de doutes qui s'imposent à l'esprit en fonction de la situation objective. Lorsque, comme en l'espèce, l'appréciation des preuves et la constatation des faits sont critiquées en référence au principe "in dubio pro reo", celui-ci n'a pas de portée plus large que l'interdiction de l'arbitraire (ATF <ref-ruling> consid. 1.1 p. 155 s. et les références citées).
1.2. Selon la jurisprudence, le conducteur d'un véhicule automobile ne saurait se voir condamner à une infraction de la loi sur la circulation routière que s'il est établi à satisfaction de droit qu'il est bien l'auteur de cette infraction. Autrement dit, le juge ne peut prononcer une telle condamnation que s'il a acquis la conviction que c'est bien l'intéressé qui a enfreint les règles de la circulation. Lorsqu'une infraction a été dûment constatée, sans cependant que son auteur puisse être identifié, l'autorité ne saurait se borner à présumer que le véhicule était piloté par son détenteur, en faisant porter le fardeau de la preuve à ce dernier (<ref-ruling> consid. 3; <ref-ruling> consid. 1a, en matière de retrait du permis de conduire; arrêt 6B_914/2015 du 30 juin 2016 consid. 1.2). Ainsi, lorsque l'auteur d'une infraction constatée ne peut être identifié sur-le-champ, le juge peut certes, dans un premier temps, partir de l'idée que le détenteur du véhicule en question en était aussi le conducteur au moment critique. Mais dès lors que cette version est contestée par l'intéressé, il lui appartient d'établir sa culpabilité sur la base de l'ensemble des circonstances, sans franchir les limites de l'arbitraire. S'il arrive à la conclusion que le détenteur, malgré ses dénégations, est bien le conducteur fautif, la condamnation est fondée (<ref-ruling> consid. 3; arrêt 6B_914/2015 du 30 juin 2016 consid. 1.2). Il ne suffit pas au détenteur d'invoquer le droit au silence ou le droit de ne pas s'auto-incriminer pour échapper à une sanction lorsque sa culpabilité n'est pas douteuse. Lorsque le prévenu fait des déclarations contradictoires, il ne peut invoquer la présomption d'innocence pour contester les conclusions défavorables que le juge a, le cas échéant, tirées de ses déclarations (arrêts 6B_914/2015 du 30 juin 2016 consid. 1.2; 6B_237/2015 du 16 février 2016 consid. 2.1; 6B_562/2010 du 28 octobre 2010 consid. 2.1.2 et les références citées).
1.3. La cour cantonale a acquis la conviction que le recourant était au volant de la BMW dont il était détenteur au moment de l'excès de vitesse en cause.
La cour cantonale a tenu compte du fait que le recourant avait menti sur son emploi du temps, lors de son audition du 26 janvier 2017, prétendant être allé en scooter à son bureau à E._ et y avoir travaillé jusqu'à 18h-19h30 le 9 novembre 2016, précisant être obligé de rester au bureau l'après-midi (PV d'audition 1). Ce n'est que confronté au rétroactif de son téléphone portable qu'il avait finalement dû admettre, le 12 janvier 2018, être rentré chez lui cet après-midi là (PV d'audition 9). Le téléphone du recourant avait activé deux antennes de I._ près de son domicile à 15h25, quasiment au même moment où l'excès de vitesse avait eu lieu, alors que la photographie prise de dos montrait la BMW, à 15h25, sur la route C._, avant de tourner sur le chemin D._, où habitait le recourant. En outre, incapable de dire qui aurait pris possession du véhicule chez lui entre 15h00 et 15h30, il avait déclaré, dans un premier temps que seuls son épouse, ses enfants, ses deux jardiniers et son homme à tout faire utilisaient cette BMW, puis, dans un deuxième temps, que quatre autres personnes auraient pu la conduire, tout en déclarant que, lorsqu'il prêtait sa voiture, il savait à qui il le faisait. Pour ces motifs, et tenant compte de la géolocalisation de son téléphone portable, la cour cantonale a écarté la thèse selon laquelle il aurait prêté sa voiture à un tiers à ce moment-là. Elle a également écarté la version selon laquelle il était en scooter l'après-midi en question, sur la base des connexions internet de son téléphone portable et relevant qu'il pleuvait lorsque l'excès de vitesse avait été commis. En outre, confronté à la photographie du radar, le recourant s'était contredit en déclarant spontanément qu'il portait des lentilles de contact pour conduire et jamais de lunettes, puis, par la suite, que la légère myopie qu'il présentait lorsqu'il avait 18 ans avait disparu, compensée intégralement pas sa presbytie. La cour cantonale a néanmoins conclu que cette photographie du radar ne permettait, à elle seule, ni d'incriminer, ni de disculper le recourant.
1.4. Le recourant s'en prend aux faits retenus par la cour cantonale en se livrant à une argumentation largement appellatoire, partant irrecevable.
C'est notamment le cas en tant qu'il précise le nombre de véhicules qu'il possède (8 voitures, une moto et un scooter), qu'il insiste sur l'ancienneté de sa BMW, et sur le nombre de personnes susceptibles d'emprunter ses véhicules, éléments au demeurant impropres à démontrer le caractère insoutenable des constatations cantonales. Il en va de même en tant qu'il présente sa propre appréciation des relevés téléphoniques pour affirmer qu'il utilisait internet chez lui dès 15h20. Les explications que livre le recourant sur ses contradictions concernant son emploi du temps, purement appellatoires, sont également irrecevables.
Le recourant ne saurait rien déduire en sa faveur de ses développements relatifs à la photographie du radar présentant un homme blanc portant des lunettes, dès lors que la cour cantonale n'a pas fondé la condamnation sur celle-ci, relevant simplement les contradictions du recourant à ce sujet.
C'est en vain que le recourant relève la mention du rapport de police selon laquelle l'analyse CTR ne permettrait pas de confirmer ou d'infirmer formellement sa présence au volant, alors même que la cour cantonale a formé sa conviction sur la base d'un faisceau d'indices concordants, l'analyse téléphonique en étant un parmi d'autres. Contrairement à ce que prétend le recourant, la réception d'un sms à 15h14 n'exclut pas qu'il se soit connecté à internet entre 15h14 et 15h25, comme cela ressort expressément du rapport de police du 17 mai 2017, dont il se prévaut. Le recourant échoue à démontrer qu'il serait insoutenable de retenir qu'il était connecté à internet avec son téléphone portable tout en conduisant son véhicule automobile à 15h25, en se contentant d'indiquer qu'il n'a pas le don d'ubiquité, alors même qu'il ne remet pas en cause les connexions internet en conduisant de E._ à son domicile, plus tôt dans l'après-midi (cf. jugement entrepris consid. 3.3.2 p. 9 en référence au rapport de police du 17 mai 2017).
Le recourant ne saurait rien déduire en sa faveur du fait que les mentions au fichier ADMAS concerneraient essentiellement des cas de peu de gravité.
En définitive, la cour cantonale a retenu que le recourant était au volant de sa BMW au moment de l'excès de vitesse constaté, sur la base d'un ensemble d'indices concordants et relevant des déclarations contradictoires quant à son emploi du temps, à l'utilisation de ses véhicules et à son acuité visuelle. L'ensemble de ces éléments permettent, sans arbitraire, de retenir que le recourant était au volant du véhicule dont il est détenteur et d'écarter les différentes hypothèses soutenues. Cela étant, il n'y a pas lieu d'examiner la portée de la mention du recourant, hors procès-verbal, relative à la photographie prise de dos.
Le recourant ne saurait rien déduire en sa faveur de son acquittement, par la cour cantonale, de l'infraction commise le 5 avril 2016, laquelle procède d'une appréciation des preuves propre à cet événement. La libération d'une infraction au bénéfice du doute n'a pas de portée sur le jugement de l'infraction commise le 9 novembre 2016, fondé sur d'autres circonstances.
1.5. S'agissant de la vitesse mesurée, le recourant ne formule pas de grief répondant aux exigences minimales de motivation en se contentant de se référer à un courrier adressé à la police cantonale pour contester la mesure de contrôle, relevant, sans autre développement, la présence d'un camion roulant en sens inverse sur la photographie.
1.6. Le recourant ne formule aucun grief quant à la réalisation des conditions objectives et subjectives de l'art. 90 al. 2 LCR et ne critique d'aucune manière la peine prononcée à son encontre. Au vu du sort du recours, il n'y a pas lieu d'examiner les conclusions relatives aux frais et dépens cantonaux, lesquelles ne reposent au demeurant sur aucune argumentation.
2.
Le recours est rejeté dans la faible mesure de sa recevabilité. Le recourant, qui succombe, supporte les frais judiciaires (art. 66 al. 1 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce :
1.
Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2.
Les frais judiciaires, arrêtés à 3'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3.
Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 14 juin 2021
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
La Présidente : Jacquemoud-Rossari
La Greffière : Klinke