Faits:
A. A.a F._ est mère de deux enfants, nés en mai 1997 et novembre 2001. Elle a travaillé en qualité de vendeuse chez X._ SA, à plein temps dès le 1er janvier 1996, à raison en moyenne de 28 heures par semaine du 1er novembre 1997 au 31 janvier 2000, puis de 32 heures par semaine jusqu'au 30 juin 2000. Étant par la suite en arrêt de travail en raison d'une arthrose précoce de la hanche gauche, elle a déposé le 8 octobre 2001 auprès de l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Genève (ci-après: l'OAI) une demande tendant à l'octroi d'un reclassement dans une autre profession.
Dans le cadre de l'instruction de cette demande, la doctoresse L._, médecin traitant, a estimé que la capacité résiduelle de travail de sa patiente était de 50 % dans une activité adaptée (rapport du 3 septembre 2002). L'administration a alors chargé le docteur Z._, spécialiste de chirurgie orthopédique, d'une expertise. Ce médecin a diagnostiqué une coxarthrose gauche sur probable épiphysiolyse de la tête fémorale à l'âge de 15 ans, une inégalité de longueur des membres inférieurs en défaveur de la gauche, une discrète scoliose dorso-lombaire, des troubles dégénératifs sacro-iliaques prédominant à droite et des séquelles d'une ancienne maladie de Scheuermann dorsale. Il a considéré qu'une activité à 50 % en position assise ou alternée serait envisageable; cependant, l'assurée présentait régulièrement des crises douloureuses importantes qui l'obligeaient à rester alitée durant plusieurs jours; dès lors, la capacité résiduelle de travail était nulle (rapport du 1er avril 2003). Un stage d'observation professionnelle, effectué par l'assurée du 4 au 31 octobre 2004 auprès du Centre d'intégration professionnelle de l'assurance-invalidité (ci-après: le COPAI), a mis en évidence une capacité de travail de 50 % dans une activité adaptée (rapport du 24 novembre 2004).
Se fondant sur ces différents éléments, et considérant l'assurée comme une personne active, l'OAI lui a octroyé un quart de rente dès juin 2001, retenant un taux d'invalidité de 43 % (décision du 10 janvier 2006, confirmée sur opposition le 19 décembre 2006).
A.b Le Tribunal cantonal des assurances sociales de la République et canton de Genève (aujourd'hui: la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre des assurances sociales) a partiellement admis le recours de l'intéressée et renvoyé la cause à l'administration pour complément d'instruction sur son statut et son état de santé, tout en maintenant sa rente (jugement du 17 mars 2009).
Reprenant l'instruction du dossier, l'OAI a recueilli les renseignements usuels auprès des médecins traitants de l'intéressée. Le docteur A._ a indiqué que l'état de santé de sa patiente était stationnaire; toutefois, celle-ci le consultait pour des cervicalgies sur troubles statiques du dos et des hanches (rapport du 15 mai 2009). La doctoresse L._ a estimé que la capacité résiduelle de travail pourrait s'élever à 50 %, avec un risque d'absentéisme élevé (rapport du 22 mai 2009). L'administration a alors chargé son service médico-social (ci-après: le SMR) d'examiner l'assurée. Le docteur P._, spécialiste de médecine physique, réadaptation et rhumatologie, a diagnostiqué, avec effets sur la capacité de travail, une coxarthrose à gauche, clinique modérée, sur probable épiphysiolyse de la tête fémorale et des lombalgies dans un contexte de trouble statique léger et surcharge articulaire postérieure en L5-S1. L'exigibilité était, dans la sphère professionnelle, de 50 % dans une activité adaptée, avec une diminution de rendement de 30 % et, dans les activités ménagères, de 80 % (rapport du 14 juillet 2009).
Une enquête économique sur le ménage a conclu à un statut mixte de l'assurée, soit 80 % d'activité professionnelle et 20 % d'activité ménagère, ainsi qu'à un empêchement de 9 % dans la sphère ménagère (rapport du 23 septembre 2009).
Sur la base de ces éléments, l'OAI a procédé à une comparaison des revenus qui a conduit à une perte de gain de 56 %. Compte tenu de la répartition entre les champs d'activité, le taux d'invalidité global était de 47 % (soit 45 % pour l'activité professionnelle à 80 % [80 % x 56 %], et 1.8 % pour l'activité ménagère à 20 % [20 % x 9 %]; projet de décision du 6 janvier 2010), lui ouvrant le droit à un quart de rente. L'assurée s'est opposée à ce projet, estimant qu'elle devait être considérée comme une personne active et que, dans l'hypothèse où un statut mixte lui serait reconnu, l'empêchement dans la sphère ménagère devrait être supérieur à 9 % (courrier à l'administration du 8 février 2010). Le 10 février 2010, l'OAI a rendu une décision confirmant son projet de décision du 6 janvier 2010.
B. F._ a déféré cette décision devant le Tribunal cantonal des assurances sociales de la République et canton de Genève, concluant à son annulation et à l'octroi d'une demi-rente d'invalidité dès le 1er juin 2001.
Après avoir entendu l'assurée, son mari, des proches du couple, les médecins traitants de l'intéressée, ainsi que le responsable du rapport d'enquête économique sur le ménage, le Tribunal cantonal des assurances sociales a, par jugement du 30 novembre 2010, (1) admis le recours et annulé la décision du 10 février 2010, (2) alloué à F._ une demi-rente d'invalidité dès le 1er juin 2001 ainsi que trois quarts de rente d'invalidité à compter du 1er août 2008 et (3) renvoyé la cause à l'OAI pour calcul des prestations et nouvelle décision.
C. L'Office de l'assurance-invalidité du canton de Genève interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il demande l'annulation. Il conclut principalement à la confirmation de sa décision du 10 février 2010 et subsidiairement à ce que la cause lui soit renvoyée pour instruction complémentaire et nouvelle décision.
L'intimée conclut au rejet du recours, alors que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se prononcer.

Considérant en droit:
1. En tant que son dispositif renvoie le dossier à l'administration pour nouvelle décision au sens des considérants, le jugement entrepris doit être qualifié de décision incidente qui ne peut être attaquée qu'aux conditions de l'<ref-law> (<ref-ruling> consid. 4.2 p. 482). Dans le cas particulier, la juridiction cantonale a octroyé à l'intimée le droit à une demi-rente de l'assurance-invalidité dès le 1er juin 2001, puis trois quarts de rente. Sur ce point, le jugement attaqué contient une instruction impérative destinée à l'autorité inférieure qui ne lui laisse plus aucune latitude de jugement pour la suite de la procédure. En cela, l'OAI subit un préjudice irréparable au sens de l'<ref-law>, si bien qu'il y a lieu d'entrer en matière sur son recours (cf. <ref-ruling> consid. 5.2 p. 483).
2. 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 (<ref-law>), sans être limité par les arguments de la partie recourante 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'<ref-law>, et ne peut aller au-delà des conclusions des parties (<ref-law>). Il fonde son raisonnement sur les faits retenus par la juridiction de première instance (<ref-law>) sauf s'ils ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'<ref-law> (<ref-law>). La partie recourante qui entend s'écarter des faits constatés doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions de l'<ref-law> sont réalisées sinon un état de fait divergent ne peut être pris en considération. Aucun fait nouveau ni preuve nouvelle ne peut être présenté à moins de résulter de la décision de l'autorité précédente (<ref-law>).
3. Est litigieux le droit de l'intimée à une rente de l'assurance-invalidité depuis 2001. Il est constant qu'entre juin 2001 et fin octobre 2002, elle a eu un statut mixte et que, dès mai 2008, son état de santé s'est aggravé. Sont en revanche contestés son statut dès novembre 2002 (mixte ou de personne active), et, le cas échéant, la répartition entre les champs d'activité, ainsi que le degré d'invalidité dans la sphère ménagère.
4. Le statut de l'intimée à partir de novembre 2002 dépend de la question de savoir si celle-ci aurait, à ce moment-là, repris une activité professionnelle à temps plein si son état de santé le lui avait permis. Dans l'affirmative, elle doit être considérée comme une personne active.
4.1 La réponse à la question de savoir à quel taux d'activité la personne assurée travaillerait sans atteinte à la santé dépend de l'ensemble des circonstances personnelles, familiales, sociales, financières et professionnelles (<ref-ruling> consid. 3.3 p. 396). Cette évaluation doit également prendre en considération la volonté hypothétique de l'assuré qui, en tant que fait interne, ne peut faire l'objet d'une administration directe de la preuve et doit en règle générale être déduite d'indices extérieurs (arrêts 9C_399/2008 du 5 mai 2009 consid. 4.1; 9C_667/2007 du 12 juin 2008 consid. 3.1; 9C_428/2007 du 20 novembre 2007 consid. 4.1; I 693/06 du 20 décembre 2006 consid. 4.1).
Le point de savoir à quel taux d'activité la personne assurée travaillerait sans atteinte à la santé est une question de fait, dans la mesure où il s'agit d'une appréciation concrète des circonstances et non pas de l'application de conséquences générales tirées exclusivement de l'expérience générale de la vie. Les constatations y relatives de la juridiction cantonale lient donc le Tribunal fédéral, pour autant qu'elles ne soient ni manifestement inexactes, ni ne reposent sur une violation du droit au sens de l'<ref-law> (art. 97 al.1 et art. 105 al.1 et 2 LTF ; <ref-ruling> consid. 3.2 p. 507; arrêts 9C_301/2007 du 28 septembre 2007 consid. 3.1 et I 693/06 du 20 décembre 2006 consid. 4.1 ; cf. aussi <ref-ruling> consid. 3.3 p. 399). La violation du droit peut consister en un état de fait incomplet, car l'autorité précédente viole le droit matériel en n'établissant pas tous les faits pertinents pour l'application de celui-ci (Alain Wurzburger, Présentation générale et système du recours, in : La nouvelle loi sur le Tribunal fédéral, Lausanne 2007, p. 20 s.).
4.2 La juridiction cantonale a retenu que l'intimée aurait travaillé à plein temps depuis novembre 2002. Elle a considéré que des raisons financières l'auraient amenée à reprendre une activité à plein temps rapidement après la naissance de son deuxième enfant en novembre 2001. Ses déclarations, ainsi que celles de tous les témoins entendus - dont rien ne permettait de remettre en cause la bonne foi - allaient en ce sens, tout comme le fait que, après la naissance de son premier enfant, elle avait augmenté son activité professionnelle. A cela s'ajoutait que l'intimée était encore jeune à l'époque. Contrairement à ce que prétendait le recourant, aucune pièce du dossier ne permettait d'affirmer que, lorsque l'intimée s'était inscrite au chômage en septembre 2002, elle aurait indiqué être en recherche d'un emploi à 80 %; en tout état de cause, cela ne serait pas déterminant, compte tenu que, à ce moment-là, elle était déjà atteinte dans sa santé. Il n'y avait pas non plus lieu de considérer, de manière générale, qu'une mère de deux enfants ne travaillerait pas à plein temps.
4.3 Selon le recourant les premiers juges auraient établi les faits de manière incomplète. Ils auraient en effet ignoré plusieurs éléments du dossier dont il ressortirait que l'intimée n'aurait pas repris une activité professionnelle à plein temps un an après la naissance de son deuxième enfant. Au terme de sa première grossesse, celle-ci avait attendu trois ans, et non une année, avant d'augmenter son temps de travail. En outre, après la naissance d'un deuxième enfant, le taux d'activité serait généralement plutôt revu à la baisse qu'à la hausse. Au surplus, l'augmentation de loyer engendrée par la nécessité, pour l'intimée et sa famille, de disposer désormais d'un logement plus grand, ne pourrait à elle seule justifier une augmentation du taux d'activité. Cela vaudrait d'autant plus que la hausse de loyer subie par le couple ne serait en réalité pas de 500 fr. comme l'ont affirmé les premiers juges, mais de l'ordre de 330 fr. seulement, compte tenu d'une allocation mensuelle de logement. A cela s'ajouterait que le jugement entrepris ne tiendrait aucun compte de la nécessité de besoins éducatifs et de l'importance de la présence de leur mère pour de jeunes enfants. Enfin, aucun des témoins entendus n'aurait été en mesure de dire à quel moment précis l'intimée aurait repris une activité à plein temps.
4.4 La juridiction cantonale, en retenant au degré de la vraisemblance prépondérante que l'intimée aurait commencé à exercer une activité à temps complet un an après la naissance de son deuxième enfant, n'a ni apprécié les faits de manière manifestement inexacte, ni commis une violation du droit matériel. Cette naissance a engendré des charges financières - ne se limitant pas à un loyer plus élevé - qui, compte tenu des revenus relativement modestes du mari de l'intimée, apparaissaient comme conséquentes. Dans ces conditions, il y a lieu de penser que l'intimée aurait, tout comme elle l'avait fait après sa première grossesse, augmenté son temps de travail lorsque son enfant aurait un peu grandi, mais qu'elle n'aurait cette fois pas attendu trois ans pour ce faire. Le fait qu'elle a, à la naissance de son premier enfant, d'emblée travaillé de manière substantielle (28 heures hebdomadaires), constitue un indice qu'elle n'aurait pas considéré les besoins éducatifs des enfants comme suffisamment importants pour l'empêcher de reprendre rapidement le travail à temps complet. Ce taux d'occupation, évoqué par tous les témoins entendus, est d'autant plus plausible que l'intimée avait déjà occupé un poste à plein temps par le passé. Dans ces conditions, à supposer l'existence d'une règle selon laquelle, de manière générale les femmes, à la naissance d'un deuxième enfant, ont plutôt tendance à réduire leur temps de travail qu'à l'augmenter, celle-ci ne s'appliquerait pas en l'espèce. Quant au délai d'un an avant la reprise hypothétique du travail à temps complet, il a été évoqué comme une possibilité par le témoin C._; compte tenu de ce qui précède, et en l'absence d'indications contraires, il n'était pas manifestement inexact de la part des premiers juges de le considérer comme déterminant. Il suit de là que l'intimée a un statut de personne active depuis novembre 2002.
5. 5.1 S'agissant de la répartition entre les champs d'activité de l'intimée avant novembre 2002, les premiers juges ont tenu compte du fait que celle-ci avait travaillé en dernier lieu à raison de 32 heures par semaine en moyenne et que l'horaire normal de travail hebdomadaire était de 38.5 heures. Ils en ont déduit que la part de l'activité professionnelle s'élevait à 83 % [32 x 100 : 38.5] et celle de l'accomplissement des travaux habituels à 17 %. Cette méthode de calcul est conforme à la jurisprudence (arrêt I 71/90 du 28 octobre 1991 consid. 1b, in RCC 1992 p. 134; arrêt I 357/89 du 20 décembre 1990 p. 324 consid. 2, in RCC 1991 p. 324). Aussi, on ne saurait admettre, comme le prétend le recourant, que l'intimée aurait exercé, jusqu'en octobre 2002, une activité professionnelle à 80 %.
5. 5.1 S'agissant de la répartition entre les champs d'activité de l'intimée avant novembre 2002, les premiers juges ont tenu compte du fait que celle-ci avait travaillé en dernier lieu à raison de 32 heures par semaine en moyenne et que l'horaire normal de travail hebdomadaire était de 38.5 heures. Ils en ont déduit que la part de l'activité professionnelle s'élevait à 83 % [32 x 100 : 38.5] et celle de l'accomplissement des travaux habituels à 17 %. Cette méthode de calcul est conforme à la jurisprudence (arrêt I 71/90 du 28 octobre 1991 consid. 1b, in RCC 1992 p. 134; arrêt I 357/89 du 20 décembre 1990 p. 324 consid. 2, in RCC 1991 p. 324). Aussi, on ne saurait admettre, comme le prétend le recourant, que l'intimée aurait exercé, jusqu'en octobre 2002, une activité professionnelle à 80 %.
5.2 5.2.1 Lorsqu'il convient d'évaluer l'invalidité d'un assuré d'après la méthode mixte, l'invalidité des assurés qui n'exercent que partiellement une activité lucrative est, pour cette part, évaluée selon la méthode ordinaire de comparaison des revenus. S'ils se consacrent en outre à leurs travaux habituels, l'invalidité est fixée selon la méthode spécifique pour cette activité. Dans ce cas, il faut déterminer la part respective de l'activité lucrative et celle de l'accomplissement des autres travaux habituels et calculer le degré d'invalidité d'après le handicap dont l'assuré est affecté dans les deux activités en question (<ref-law> en corrélation avec l'<ref-law>, ainsi que les <ref-law> et 28a al. 2 LAI en corrélation avec les <ref-law> et 8 al. 3 LPGA).
5.2.2 Ainsi, l'invalidité des assurés pour la part qu'ils consacrent à leur activité lucrative doit être évaluée selon la méthode ordinaire de comparaison des revenus (<ref-law> en corrélation avec l'<ref-law>). Concrètement, lorsque la personne assurée ne peut plus exercer (ou plus dans une mesure suffisante) l'activité qu'elle effectuait à temps partiel avant la survenance de l'atteinte à la santé, le revenu qu'elle aurait pu obtenir effectivement dans cette activité (revenu sans invalidité) est comparé au revenu qu'elle pourrait raisonnablement obtenir en dépit de son atteinte à la santé (revenu d'invalide). Autrement dit, le dernier salaire que la personne assurée aurait pu obtenir compte tenu de l'évolution vraisemblable de la situation jusqu'au prononcé de la décision litigieuse - et non celui qu'elle aurait pu réaliser si elle avait pleinement utilisé ses possibilités de gain (<ref-ruling> consid. 5c/bb p. 157) - est comparé au gain hypothétique qu'elle pourrait obtenir sur un marché équilibré du travail en mettant pleinement à profit sa capacité résiduelle dans un emploi adapté à son handicap (<ref-ruling> consid. 5a p. 154).
5.2.3 En l'espèce, il y a lieu de constater - en appliquant le droit d'office (<ref-law>) - que les premiers juges ont calculé de manière erronée le degré d'invalidité pour la part consacrée à l'activité lucrative, établissant le revenu sans invalidité sur la base d'un salaire correspondant à une activité à plein temps au lieu de prendre en compte celui afférent à l'activité effective de l'intimée (cf. jugement, p. 21).
Dès lors, le revenu sans invalidité à prendre en compte pour la période entre juin 2001 et fin octobre 2002 est de 37'437 fr., soit celui de l'intimée en 2000 (36'524 fr.), adapté au renchérissement pour l'année 2001 (+ 1.025 %; La Vie économique 2002, tableau B 10.3). En comparant ce montant au revenu de 19'985 fr. que celle-ci aurait pu gagner (cf. jugement, p. 22), on obtient un taux d'invalidité de 47 %. Vu le taux d'activité de l'intimée, la perte de gain était de 39 % (83 % x 47 %). Dans ces conditions, il n'est pas nécessaire d'examiner le grief du recourant relatif à l'empêchement dans la sphère ménagère. En effet, si celui-ci s'élevait à 9 %, comme il le prétend, il en résulte un degré d'invalidité de 1.53 % (17 % x 9 %) et, partant, un taux d'invalidité globale de 40.53 %. Si, au contraire, l'empêchement dans la sphère ménagère était de 22.75 % comme l'a retenu l'instance cantonale, le taux d'invalidité dans ce domaine serait de 3.86 % (17 % x 22.75 %), qui engendrerait un degré d'invalidité globale de 42.86 %. Dans les deux cas, l'intimée a droit à un quart de rente pour la période en question.
6. Le taux d'invalidité de l'intimée pour la période postérieure au 31 octobre a été correctement établi par l'instance cantonale à 56 % entre le 1er novembre 2002 et le 31 juillet 2008, lui ouvrant le droit à une demi-rente, puis à 68 %, ce qui correspond à trois quarts de rente (cf. jugement, p. 22 et 25). Compte tenu de ce qui précède, il ne se justifie pas de renvoyer la cause au recourant.
7. Vu l'issue du litige, les frais judiciaires sont mis à la charge du recourant, qui n'obtient que très partiellement gain de cause (<ref-law>). L'intimée a droit à une indemnité de dépens pour la procédure fédérale à la charge du recourant (art. 68 al. 1 et 2 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est très partiellement admis. Le jugement du 30 novembre 2010 du Tribunal cantonal des assurances sociales de la République et canton de Genève est modifié en ce sens que l'intimée a droit à un quart de rente d'invalidité entre le 1er juin 2001 et le 31 octobre 2002. Le recours est rejeté pour le surplus.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 500 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le recourant versera à l'intimée la somme de 2'000 fr. à titre de dépens pour la procédure fédérale.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties, à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre des assurances sociales, et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 16 août 2011
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Meyer
Le Greffier: Bouverat