Faits:
A. P._ (née en 1971) a été mise au bénéfice d'une rente entière d'invalidité, fondée sur un taux d'invalidité de 100 %, à partir du 1er décembre 1999 (décision du 3 juillet 2002). Le droit à cette prestation a été maintenue à la suite d'une révision en 2003 (communication de l'assurance-invalidité du 6 octobre 2003).
Dans le cadre d'une nouvelle procédure de révision initiée en novembre 2005, l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Genève a soumis l'assurée à un examen rhumatologique et psychiatrique auprès de son Service médical régional AI (SMR). Dans leur rapport du 9 janvier 2008, les docteurs I._, ancienne médecin-chef adjointe en physiatrie, et B._, spécialiste FMH en psychiatrie, ont retenu différents diagnostics sans répercussion sur la capacité de travail et constaté que l'assurée ne souffrait plus d'une maladie psychiatrique invalidante depuis novembre 2006, ni ne présentait de trouble invalidant sur le plan ostéo-articulaire; ils ont attesté d'une capacité entière de travail dans l'activité de vendeuse (que l'assurée avait exercée par le passé) et dans toute activité adaptée. Se fondant sur ses conclusions, l'office AI a, par décision du 9 décembre 2008, supprimé le droit de l'intéressée à la rente d'invalidité à partir du 1er février 2009.
B. Saisie d'un recours formé par P._ contre cette décision, la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre des assurances sociales, a entendu notamment les docteurs L._, spécialiste FMH en médecine interne et rhumatologie, et G._, médecin adjoint du Centre médical X._ (procès-verbal d'audition des 8 juin et 27 juillet 2009). Elle a ensuite chargé les docteurs O._, rhumatologue, et R._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie, d'une expertise. Au terme de leurs examens respectifs, les experts sont arrivés à la conclusion que l'assurée était incapable de travailler en raison d'atteintes psychiques (agoraphobie avec trouble panique, phobie sociale, trouble dépressif récurrent, épisode actuel léger, trouble somatoforme indifférencié, trouble de la personnalité anxieuse [évitante]; rapport du docteur R._ du 12 juillet 2010), alors que du point de vue strictement rhumatologique, elle disposait d'une capacité de travail de maximum cinq heures par jour dans une activité respectant les limitations décrites (rapport du docteur O._ du 6 août 2010). Statuant le 22 février 2011, la Chambre des assurances sociales de la Cour de justice genevoise a admis le recours au sens des considérants. Annulant la décision du 9 décembre 2008, elle a jugé que l'assurée avait droit au rétablissement de sa rente entière dès le 1er février 2009.
C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, l'office AI demande au Tribunal fédéral d'annuler le jugement cantonal et de confirmer sa décision du 9 décembre 2008. La requête d'effet suspensif qui assortit son recours a été admise par ordonnance du 24 mai 2011.
P._ conclut implicitement 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 (art. 82 ss LTF) peut être formé pour violation du droit au sens des art. 95 et 96 LTF. Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (art. 106 al. 1 LTF), n'examine en principe que les griefs invoqués (art. 42 al. 2 LTF) et 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, auquel cas il peut les rectifier ou les compléter d'office (art. 105 al. 2 LTF).
2. Le litige porte sur la suppression éventuelle, par la voie de la révision, du droit de l'intimée à une rente entière d'invalidité à partir du 1er février 2009. A cet égard, le jugement entrepris expose correctement la teneur de l'art. 17 LPGA et la jurisprudence y relative, de même que les principes jurisprudentiels en matière de libre appréciation des preuves et de valeur probante de rapports médicaux. Il suffit d'y renvoyer.
3. Soulevant le grief de l'appréciation arbitraire des preuves, le recourant reproche à la juridiction cantonale de s'être fondée exclusivement sur les conclusions du docteur R._ (selon lesquelles l'intimée présentait une incapacité de travail de 100 %), sans examiner l'appréciation du SMR du 9 janvier 2008. Elle aurait ainsi repris l'évaluation de l'expert judiciaire sans vérifier s'il existait au dossier d'autres éléments susceptibles de remettre celle-ci en cause. Selon le recourant, c'est à tort par ailleurs que les premiers juges ont accordé une pleine valeur probante à l'expertise du docteur R._, dès lors qu'elle serait entachée de défauts majeurs - elle serait contradictoire et gravement lacunaire - qui auraient dû les conduire à s'en écarter.
3.1 En principe, le juge ne s'écarte pas sans motifs impératifs des conclusions d'une expertise médicale judiciaire, la tâche de l'expert étant précisément de mettre ses connaissances spéciales à la disposition de la justice afin de l'éclairer sur les aspects médicaux d'un état de fait donné. Selon la jurisprudence, peut constituer une raison de s'écarter d'une expertise judiciaire le fait que celle-ci contient des contradictions, ou qu'une surexpertise ordonnée par le tribunal en infirme les conclusions de manière convaincante. En outre, lorsque d'autres spécialistes émettent des opinions contraires aptes à mettre sérieusement en doute la pertinence des déductions de l'expert, on ne peut exclure, selon les cas, une interprétation divergente des conclusions de ce dernier par le juge ou, au besoin, une instruction complémentaire sous la forme d'une nouvelle expertise médicale (<ref-ruling> consid. 3b/aa et les références).
Par ailleurs, lorsque, comme en l'occurrence, l'autorité cantonale juge l'expertise judiciaire concluante et en fait sien le résultat, le Tribunal fédéral n'admet le grief d'appréciation arbitraire que si l'expert n'a pas répondu aux questions posées, si ses conclusions sont contradictoires ou si, d'une quelconque autre façon, l'expertise est entachée de défauts à ce point évidents et reconnaissables, même sans connaissances spécifiques, que le juge ne pouvait tout simplement pas les ignorer. Il n'appartient pas au Tribunal fédéral de vérifier si toutes les affirmations de l'expert sont exemptes d'arbitraire; sa tâche se limite bien plutôt à examiner si l'autorité intimée pouvait, sans arbitraire, se rallier au résultat de l'expertise (arrêt 4P.263/2003 du 1er avril 2004, consid. 2.1; voir également <ref-ruling> consid. 3b/aa p. 352 et les références).
3.2 L'expertise judiciaire mise en oeuvre par la juridiction cantonale auprès des docteurs O._ et R._ avait pour but de départager les conclusions divergentes des médecins du SMR (rapport du 9 janvier 2008) et des médecins consultés par l'intimée (en particulier, rapports des docteurs L._ [du 25 août 2008] et G._ [des 13 décembre 2005 et 25 août 2008] et procès-verbal de leur audition) sur les atteintes à la santé dont elle souffrait et les effets de celles-ci sur la capacité de travail. Dès lors que l'intervention des experts visait à clarifier la situation de la recourante sur le plan médical compte tenu des avis médicaux contradictoires recueillis en procédure administrative, les premiers juges n'avaient pas, vu la valeur probante accordée par la jurisprudence à une expertise judiciaire (supra consid. 3.1), à revenir de manière détaillée sur les rapports médicaux antérieurs à l'évaluation des docteurs R._ et O._, pris en considération par les deux experts. Contrairement à ce que voudrait le recourant, le fait que la juridiction cantonale n'a pas "confront[é] point par point les conclusions" du rapport du SMR du 9 janvier 2008 avec celles des experts ne suffit pas à qualifier d'arbitraire leur appréciation des preuves. Il n'explique du reste pas en quoi le rapport du SMR - antérieur à l'évaluation des experts -, aurait été susceptible de mettre sérieusement en doute la pertinence des déductions des docteurs O._ et R._.
En ce qui concerne l'avis du SMR (du 24 août 2010) postérieur aux rapports d'expertise, l'autorité cantonale du recours a expliqué, quoique de manière très succincte, la raison pour laquelle les critiques du docteur C._ à l'encontre de l'évaluation des experts n'emportaient pas sa conviction. On ajoutera à cet égard que le médecin du SMR se contente de résumer l'évaluation des experts et d'en tirer des conclusions différentes ("Sur le plan purement somatique, aucune incapacité au travail ne peut être soutenue"; "Les conclusions et les limitations fonctionnelles retenues ne peuvent qu'être rejetées"). Il ne met toutefois en évidence aucun élément concret qui aurait été ignoré par les experts ou de contradiction dans leurs observations (à l'exception de l'absence de vérification, par le docteur R._, de l'observance médicamenteuse au moyen d'une prise de sang, défaut qui n'apparaît pas en soi déterminant au regard de l'ensemble des constatations du psychiatre). L'appréciation des preuves à laquelle ont procédé les premiers juges n'apparaît dès lors pas insoutenable ou arbitraire.
3.3 C'est en vain, ensuite, que le recourant s'en prend à la valeur probante du rapport du docteur R._. Contrairement à ce qu'il prétend, l'expert psychiatre n'a pas "complètement occulté" les conclusions des médecins du SMR, puisqu'il expose de manière détaillée les pièces à disposition dans le dossier, dont le rapport du SMR (du 9 janvier 2008; expertise, p. 10). Même s'il n'en discute ensuite pas expressément les conclusions, il reprend cependant les éléments relevés par les docteurs I._ et B._ et sa discussion porte sur les mêmes points que ceux qu'ils avaient examinés. Son appréciation en est certes différente, mais l'expert explique dûment quels éléments lui permettent de retenir que les atteintes à la santé diagnostiquées entraînent une incapacité de travail de 100 %. On ne voit pas, ensuite, en quoi il serait contradictoire de la part de l'expert d'admettre une amélioration de l'état de santé l'assurée tout en reconnaissant une incapacité de travail totale. Ainsi, le fait que l'intimée ose à nouveau sortir seule de chez elle ou faire ses courses ne dit rien encore sur le point de savoir si elle dispose des ressources psychiques nécessaires pour reprendre une activité lucrative et réintégrer le monde professionnel. Dès lors que l'expert judiciaire a, compte tenu des circonstances de vie de l'intimée dûment exposées, conclu à l'existence de troubles psychiques, dont il a expliqué les caractéristiques et admis les répercussions négatives sur la capacité de travail de l'assurée en motivant suffisamment son appréciation, la juridiction cantonale était en droit d'attribuer pleine valeur probante à ses conclusions et pouvait, sans arbitraire, s'y rallier. Sous l'angle des règles légales sur la révision du droit aux prestations, il n'y a dès lors pas lieu de remettre en cause l'appréciation des premiers juges en ce qu'ils ont constaté - sans que ces constatations apparaissent manifestement inexactes - que l'état de santé de l'intimée n'avait pas subi d'amélioration notable, en se fondant sur une évaluation médicale qui ne mettait pas en évidence une modification déterminante de la situation de l'intéressée.
4. En conséquence de ce qui précède, le recours est mal fondé.
Vu l'issue du litige, les frais judiciaires doivent être supportés par le recourant qui succombe (art. 66 al. 1 LTF). L'intimée a par ailleurs droit à une indemnité de dépens à la charge du recourant.

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 recourant versera à l'intimée la somme de 1'300 fr. à titre de dépens pour la dernière instance.
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 23 novembre 2011
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Meyer
La Greffière: Moser-Szeless