Faits:
A. B._ est danseuse professionnelle au service de la Fondation X._. A ce titre, elle est assurée contre le risque d'accidents auprès de Helsana Accidents SA (ci-après : Helsana), qui a repris le portefeuille d'assurance de La Suisse.
Par une déclaration d'accident LAA du 28 mars 2001, l'employeur a informé La Suisse que B._ avait ressenti le 22 mars précédent une douleur au pied droit à la réception d'un saut. Le docteur M._ a fait état de douleurs inflammatoires aiguës de l'avant-pied sans fracture (rapport médical initial LAA du 19 avril 2001). A la suite d'un IRM du pied droit, il s'est avéré que la prénommée présentait une fracture à la base du 2ème métatarsien. Le docteur A._, qui a réalisé cet examen, a évoqué une fracture de fatigue (rapport du 10 mai 2001). L'assureur-accidents a pris en charge le cas, qui a donné lieu à un traitement médical et à une incapacité de travail de quelques jours (rapport du docteur U._ du 3 septembre 2001).
Le 17 octobre 2007, l'employeur a annoncé une rechute de l'accident du 22 mars 2001. B._ a déclaré ressentir depuis plusieurs mois des douleurs au pied droit. Un CT-scan a montré une fracture du 2ème métatarsien non déplacé, sub-aigü ou sub-chronique (rapport du 25 juin 2007). Consulté par l'assurée, le docteur C._ a conclu à une séquelle de fracture intra-articulaire de l'accident de mars 2001 (rapport du 20 novembre 2007).
Se fondant sur l'avis contraire de son médecin-consultant, le docteur V._, qui a posé le diagnostic d'une fracture de fatigue, Helsana a refusé de prendre en charge la rechute annoncée (décision du 23 janvier 2008). Saisie d'une opposition, elle l'a écartée dans une nouvelle décision du 3 juin 2008.
B. L'assurée a recouru contre cette dernière décision devant la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois en produisant deux nouvaux avis du docteur C._ (du 30 juin et 10 octobre 2008).
Par jugement du 9 février 2010, le tribunal cantonal a admis le recours en ce sens que Helsana est tenue de prendre en charge la rechute annoncée et ses suites.
C. Helsana interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, en concluant à la confirmation de sa décision sur opposition. En bref, elle reproche à la juridiction cantonale d'avoir retenu que l'évaluation du docteur C._ est objectivement mieux fondée que celle de son médecin-consultant. Ce dernier avait démontré de manière convaincante que les fractures diagnostiquées en 2001 et en 2007 résultaient toutes deux de micro-traumatismes répétés. L'événement du 22 mars 2001 n'aurait pas dû être couvert par l'assurance-accidents, pas plus que ne le devait celui annoncé en octobre 2007, aucun d'entre eux ne remplissant les critères d'un accident ou d'une lésion assimilée à un accident.
B._ conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de la santé publique a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. 1.1 Le Tribunal fédéral est lié par les faits constatés par les premiers juges (<ref-law>), à moins qu'ils aient été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'<ref-law>. Si la décision qui fait l'objet d'un recours concerne l'octroi ou le refus de prestations en espèces de l'assurance-accidents ou de l'assurance-militaire, le Tribunal fédéral n'est pas lié par les faits établis par l'autorité précédente et le recours peut porter sur toute constatation incomplète ou erronée des faits (art. 97 al. 2 et 105 al. 3 LTF).
1.2 Pour l'intimée, le litige porte sur le refus de Helsana de prendre en charge les frais médicaux liés à l'atteinte à la santé annoncée en octobre 2007, soit sur une prestation en nature, si bien que la recourante ne peut critiquer les faits retenus par l'autorité cantonale que dans les limites du pouvoir d'examen restreint laissé au Tribunal fédéral par l'<ref-law>. Dans son rapport du 30 juin 2008, le docteur C._ a toutefois attesté une incapacité de travail totale dès le 19 mai 2008 en relation avec la pathologie constatée et s'est également prononcé sur une éventuelle atteinte à l'intégrité. Dès lors que d'autres prestations (en espèces) que le traitement médical sont susceptibles d'entrer en ligne de compte dans le cadre de la rechute, le Tribunal fédéral dispose d'un pouvoir d'examen étendu en ce qui concerne les faits communs aux deux types de prestations (voir arrêt 8C_584/2009 du 2 juillet 2010 consid. 4).
1.3 En revanche, on doit donner raison à l'intimée lorsqu'elle soutient que la note médicale du docteur V._ (du 27 mai 2010) produite par Helsana en annexe à son recours doit être écartée de la présente procédure. Aux termes de l'<ref-law>, en effet, aucun fait nouveau ni preuve nouvelle ne peut être présenté à l'appui d'un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral à moins de résulter de la décision de l'autorité précédente (voir également <ref-ruling>).
2. 2.1 En l'espèce, il n'est pas contesté que l'atteinte diagnostiquée en juin 2007 ne résulte pas d'un accident (<ref-law>), ni ne constitue une lésion assimilée à un accident (<ref-law>) faute d'un facteur extérieur, soudain et involontaire. Par conséquent, pour que la recourante soit tenue à prendre en charge les suites qui en découlent, il faut que l'on se trouve en présence d'une rechute ou d'une séquelle d'un événement assuré (<ref-law>). On précisera dans ce contexte que même si Helsana a versé des prestations pour l'événement du 22 mars 2001, sa décision n'a pas acquis force de chose décidée en ce qui concerne la réalisation des conditions de la prise en charge de la rechute alléguée en octobre 2007.
2.2 On parle de rechute ou de séquelle tardive lorsqu'une atteinte à la santé était guérie en apparence, mais non dans les faits. Il incombe à l'assuré d'établir, au degré de vraisemblance prépondérante, l'existence d'un rapport de causalité entre l'état pathologique qui se manifeste à nouveau et l'accident. Plus le temps écoulé entre l'accident et la manifestation de l'affection est long, plus les exigences quant à la preuve d'un rapport de causalité doivent être sévères (RAMA 1997 no U 275 p. 191 consid. 1c).
3. En matière d'appréciation des preuves, le juge doit examiner objectivement tous les documents à disposition, quelle que soit leur provenance, puis décider s'ils permettent de porter un jugement valable sur le droit litigieux. Il ne peut écarter un rapport médical au seul motif qu'il est établi par le médecin interne d'un assureur social, respectivement par le médecin traitant (ou l'expert privé) de la personne assurée, sans examiner autrement sa valeur probante. Dans une procédure portant sur l'octroi ou le refus de prestations d'assurances sociales, le Tribunal fédéral a récemment précisé que lorsqu'une décision administrative s'appuie exclusivement sur l'appréciation d'un médecin interne à l'assureur social et que l'avis d'un médecin traitant ou d'un expert privé auquel on peut également attribuer un caractère probant laisse subsister des doutes même faibles quant à la fiabilité et la pertinence de cette appréciation, la cause ne saurait être tranchée en se fondant sur l'un ou sur l'autre de ces avis et il y a lieu de mettre en oeuvre une expertise par un médecin indépendant selon la procédure de l'<ref-law> ou une expertise judiciaire (<ref-ruling>).
4. 4.1 En l'occurrence, les docteurs V._ et C._ ne s'accordent pas sur le diagnostic. Pour le médecin-consultant de Helsana, la première et la seconde atteinte au 2ème métatarsien du pied droit de l'assurée sont caractéristiques d'une fracture lente qui ne peut être rattachée à un événement particulier. D'ailleurs, la fracture de mars 2001 était uniquement visible sur le cliché IRM et non sur les radiographies standard réalisées à l'époque, ce qui parlait en défaveur d'une fracture «traumatique». Le docteur C._, en revanche, ne remet pas en question le caractère soudain de la fracture initiale (dû au saut accompli par l'assurée). Il est d'avis que l'atteinte diagnostiquée en 2007, qui se présente sous la forme d'une pseudarthrose, est une conséquence tardive de cette fracture initiale. Ensuite, le docteur V._ part de l'hypothèse que la première fracture a guéri. Selon lui, l'assurée n'aurait pas pu, dans le cas contraire, reprendre aussi rapidement son activité professionnelle et la poursuivre apparemment sans problèmes jusqu'à la réapparition des douleurs en juin 2007. A cet argument, le médecin traitant oppose le fait qu'une pseudarthrose peut évoluer de manière irrégulière et que l'assurée lui a précisé avoir pris régulièrement des anti-douleurs entre 2001 et 2007, de sorte qu'on ne peut parler d'une période complètement asymptomatique.
4.2 Compte tenu de tous ces points de divergence qui séparent les considérations du médecin-consultant de Helsana de celles du médecin traitant de l'assurée - sans que l'on puisse dénier une valeur probante à leurs avis respectifs -, il appartient à un expert de départager ces opinions conformément à la jurisprudence précitée (consid. 3 supra). Il convient donc de renvoyer la cause à Helsana pour qu'elle procède à une instruction complémentaire au sens de l'<ref-law> et rende une nouvelle décision. C'est toutefois le lieu de rappeler que contrairement à ce que semble croire la recourante, le diagnostic de fracture de fatigue n'exclut pas la reconnaissance d'une lésion assimilée à un accident selon l'<ref-law>, si cette atteinte survient sur un os apparemment sain et à l'occasion d'une sollicitation du corps, en particulier des membres, qui est physiologiquement plus élevée que la normale et dépasse ce qui est normalement maîtrisé du point de vue psychologique (voir <ref-ruling>; également ALFRED MAURER, Schweizerisches Unfallversicherungsrecht, Berne 1985, p. 203-204). Il incombera dès lors à l'expert désigné de se prononcer aussi sur le point de savoir si la cause de la fracture initiale est à rapporter - au degré de la vraisemblance prépondérante - à l'impact de la réception du pied lors du saut effectué par l'assurée ou plutôt à des microtraumatismes répétés (dans ce dernier cas, le critère de la soudaineté de l'atteinte ferait défaut et il ne saurait être question d'un accident ou d'une lésion assimilée à un accident; voir notamment JEAN-MAURICE FRÉSARD/MARGIT MOSER-SZELESS, L'assurance-accidents obligatoire in : Schweizerisches Bundesverwaltungsrecht [SBVR], Soziale Sicherheit, 2ème éd., 2007, no 59, et la référence).
Dans cette mesure, le recours se révèle bien fondé.
5. L'intimée succombe en procédure fédérale, de sorte que les frais judiciaires doivent être mis à sa charge (<ref-law>). En outre, elle ne peut prétendre une indemnité de dépens (<ref-law>).
6. Sous le chiffre 3 du jugement entrepris, la juridiction cantonale a condamné Helsana à verser à B._ la somme de 2'000 fr. à titre de dépens. Etant donné le sort du litige en procédure fédérale, la prénommée apparaissait fondée à recourir contre la décision sur opposition de Helsana, de sorte qu'il n'y a pas lieu d'annuler ce chiffre 3 du dispositif du jugement cantonal.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est admis en ce sens que le chiffre 1 et 2 du jugement du 9 février 2010 de la Cour des assurances sociales du Tribunal cantonal vaudois ainsi que la décision sur opposition du 3 juin 2008 de Helsana sont annulés, la cause étant renvoyée à l'assureur-accidents pour instruction complémentaire au sens des motifs et nouvelle décision.
2. Les frais de justice, arrêtés à 750 fr., sont mis à la charge de l'intimée.
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 de la santé publique.
Lucerne, le 19 avril 2011
Au nom de la Ire Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
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