Faits:
A. X._, ressortissant guinéen né en 1974, est entré en Suisse le 8 septembre 1997 pour y déposer une demande d'asile. L'Office fédéral des réfugiés (actuellement l'Office fédéral des migrations; ci-après: l'Office fédéral) a rejeté sa requête le 30 octobre 1997 et prononcé son renvoi, lui impartissant un délai au 15 décembre 1997 pour quitter le territoire suisse. Par décision du 28 décembre 1998, la Commission fédérale de recours en matière d'asile n'est pas entrée en matière sur le recours de l'intéressé et lui a imparti un nouveau délai au 15 février 1998 pour quitter le pays.
X._ a poursuivi son séjour en Suisse et a contracté mariage, le 2 juillet 1998, avec A._, ressortissante suisse née en 1980. Il a de ce fait été mis au bénéfice d'une autorisation de séjour dans le but de pouvoir vivre auprès de son épouse. Aucun enfant n'est issu de cette union.
Le 23 février 2002, l'intéressé a introduit une première requête de naturalisation facilitée, qui a été classée en raison de son caractère prématuré. Le 3 septembre 2002, il a réitéré sa demande, qui a toutefois été suspendue du fait que son casier judiciaire mentionnait une condamnation pénale subie le 5 décembre 2000. Le 10 février 2004, il a déposé une troisième demande de naturalisation facilitée.
Dans le cadre de l'instruction de cette demande, le requérant et son épouse ont contresigné, le 22 mars 2005, une déclaration écrite aux termes de laquelle ils confirmaient vivre en communauté conjugale effective et stable, à la même adresse, et n'avoir aucune intention de se séparer ou de divorcer. Par décision du 28 avril 2005, l'Office fédéral a accordé la naturalisation requise.
B. Par courrier du 9 juin 2005, le contrôle des habitants de la commune de domicile des époux X._-A._ a signalé à l'Office fédéral que ces derniers avaient élu des domiciles séparés depuis le 30 avril 2005.
Le 4 mai 2006, l'Office fédéral a fait savoir à X._ qu'il envisageait, compte tenu de sa séparation d'avec son épouse deux jours seulement après sa naturalisation, d'examiner s'il y avait lieu d'ouvrir une procédure visant à l'annulation de la naturalisation facilitée. Dans les observations qu'elle a déposées le 11 mai 2006, au nom de son mari, A._ a notamment affirmé que les époux entretenaient une relation stable lors de la signature de la déclaration sur la communauté conjugale, malgré les quelques crises que le couple avait déjà connues à cette période-là. Elle a ajouté que personne dans son entourage ne s'était rendu compte du mécontentement qu'elle avait éprouvé dans ladite relation. Par ailleurs, elle a indiqué qu'elle avait dû se rendre à l'évidence, avec l'aide de sa psychologue, que les époux ne partageaient pas la même vision pour pouvoir continuer de vivre ensemble. Interrogée par l'autorité cantonale compétente le 23 août 2006, A._ a exposé qu'elle avait fait connaissance de son futur mari en 1997 dans une discothèque, en déclarant que celui-ci était l'homme de sa vie et qu'elle l'avait épousé par amour et par peur de le perdre. Elle ne se souvenait plus si les conditions de séjour précaires de l'intéressé avaient joué un rôle dans la conclusion du mariage, mais c'était elle qui avait pris l'initiative de cette démarche. Elle a affirmé que le mariage s'était bien déroulé pendant les trois premières années et demie et que les difficultés conjugales étaient survenues dans le courant de l'année 2003, lorsque son mari avait accepté un travail aux horaires irréguliers. Elle a en outre déclaré qu'ils partageaient les mêmes loisirs, qu'ils avaient pris part ensemble à des rencontres familiales, qu'elle s'était rendue une fois dans le pays d'origine de son époux et qu'elle avait rencontré deux ou trois fois le frère de ce dernier en France. Elle a précisé n'avoir pas vécu d'autres séparations avant 2005 et reconnu qu'aucun évènement particulier susceptible de porter atteinte à l'union conjugale n'était intervenu peu après la naturalisation de son époux.
Dans un courrier du 16 septembre 2006, X._ a confirmé pour l'essentiel les propos tenus par son épouse. Il a souligné, au surplus, qu'il l'avait toujours bien traitée et respectée, et que c'était elle qui l'avait quitté. Il a également laissé entendre qu'il aimait toujours sa femme et qu'il continuait d'entretenir de fréquents contacts avec elle.
Le 20 mai 2008, l'Office de la migration du canton d'Argovie a porté à la connaissance de l'Office fédéral que l'intéressé avait déposé le 24 avril 2008 une demande de regroupement familiale en faveur de son épouse guinéenne et les deux enfants de cette dernière. Cette autorité a également remarqué que le divorce des époux X._-A._ avait été prononcé le 31 octobre 2007 et que l'intéressé avait contracté mariage avec sa nouvelle épouse le 4 janvier 2008.
Par décision du 20 août 2008, l'Office fédéral a prononcé, avec l'assentiment des autorités cantonales compétentes, l'annulation de la naturalisation facilitée accordée à X._.
C. Le 6 septembre 2010, le Tribunal administratif fédéral a rejeté le recours de X._ contre la décision précitée. Il a considéré en substance que l'examen des faits pertinents de la cause, ainsi que leur déroulement chronologique, amenaient à la conclusion que l'intéressé avait obtenu la naturalisation facilitée de manière frauduleuse. Celui-ci n'avait par ailleurs pas rendu vraisemblable la survenance d'un événement extraordinaire de nature à expliquer une détérioration rapide du lien conjugal.
D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, X._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal administratif fédéral du 6 septembre 2010 ainsi que la décision de l'Office fédéral du 20 août 2008. Il conclut également à ce que la décision d'annulation de la naturalisation facilitée soit invalidée et les frais administratifs annulés.
Le Tribunal administratif fédéral conclut au rejet du recours. L'Office fédéral a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. 1.1 Le recourant procède en allemand. L'exigence de l'<ref-law>, selon lequel les mémoires destinés au Tribunal fédéral doivent être rédigés dans une langue officielle, est respectée. Cette seule circonstance n'impose toutefois pas de déroger à la règle selon laquelle la langue de la procédure est généralement celle de la décision attaquée (<ref-law>), soit, en l'occurrence, le français.
1.2 L'arrêt attaqué émane du Tribunal administratif fédéral et concerne l'annulation de la naturalisation facilitée accordée au recourant, si bien qu'il peut faire l'objet d'un recours en matière de droit public (art. 82 let. a et 86 al. 1 let. a LTF). Le motif d'exclusion de l'<ref-law> n'entre pas en ligne de compte, dès lors qu'il s'agit en l'espèce de naturalisation facilitée et non pas de naturalisation ordinaire. Il ne fait pas de doute que le recourant est particulièrement atteint par la décision attaquée et qu'il possède la qualité pour recourir au sens de l'<ref-law>. Pour le surplus, les conditions formelles de recevabilité sont remplies de sorte qu'il y a lieu d'entrer en matière.
2. Le Tribunal fédéral statue sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<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>). Si le recourant entend s'écarter de ces constatations de fait, il doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions de l'<ref-law> seraient réalisées et rendre vraisemblable que la correction du vice serait susceptible d'influer sur le sort de la cause (cf. <ref-law>). A ce défaut, un état de fait divergent de celui de la décision attaquée ne peut être pris en compte.
2.1 Le recourant fait valoir que le Tribunal administratif fédéral a constaté de manière erronée qu'il aurait séjourné cinq mois en Guinée avant son mariage avec son actuelle épouse. Or, la durée de ce séjour était de cinq semaines seulement. Dans ses déterminations du 2 novembre 2010, ledit Tribunal reconnaît qu'il s'agit d'une malencontreuse erreur de plume. L'état de fait peut donc être rectifié sur ce point.
2.2 A plusieurs reprises dans son mémoire, le recourant insiste sur le fait qu'il est devenu le parrain du neveu de son ex-épouse le 15 octobre 2005. Ceci ne ressort toutefois ni de l'arrêt attaqué, ni de la décision de l'Office fédéral du 20 août 2008. Allégué semble-t-il pour la première fois en procédure fédérale, ce fait a valeur de nova et n'a pas à être pris en considération (cf. <ref-law>). Quoi qu'il en soit, cette précision a un caractère anecdotique et n'est pas de nature à changer de manière décisive le regard qu'il y a lieu de porter sur le cas. Le Tribunal fédéral est par conséquent lié par les faits constatés souverainement par le Tribunal administratif fédéral.
3. Conformément aux art. 41 al. 1 de la loi fédérale du 29 septembre 1952 sur l'acquisition et la perte de la nationalité suisse (LN; RS 141.0) et 14 al. 1 de l'ordonnance du 17 novembre 1999 sur l'organisation du Département fédéral de justice et police (RS 172.213.1), l'Office fédéral des migrations peut, avec l'assentiment de l'autorité du canton d'origine, annuler dans les cinq ans une naturalisation facilitée obtenue par des déclarations mensongères ou par la dissimulation de faits essentiels.
3.1 Pour qu'une naturalisation facilitée soit annulée, il ne suffit donc pas qu'elle ait été accordée alors que l'une ou l'autre de ses conditions n'était pas remplie; il faut qu'elle ait été acquise grâce à un comportement déloyal et trompeur. S'il n'est pas besoin que ce comportement soit constitutif d'une escroquerie au sens du droit pénal, il est nécessaire que l'intéressé ait donné sciemment de fausses informations à l'autorité ou qu'il l'ait délibérément laissée dans l'erreur sur des faits qu'il savait essentiels (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 115 et les arrêts cités). Tel est notamment le cas si le requérant déclare vivre en communauté stable avec son conjoint alors qu'il envisage de se séparer une fois obtenue la naturalisation facilitée; peu importe que son mariage se soit ou non déroulé jusqu'ici de manière harmonieuse (arrêt 5A.22/2006 du 13 juillet 2006 consid. 2.2).
La nature potestative de l'art. 41 al. 1 LN confère une certaine liberté d'appréciation à l'autorité compétente, qui doit toutefois s'abstenir de tout abus dans l'exercice de celle-ci. Commet un abus de son pouvoir d'appréciation l'autorité qui se fonde sur des critères inappropriés, ne tient pas compte de circonstances pertinentes ou rend une décision arbitraire, contraire au but de la loi ou au principe de la proportionnalité (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 115; <ref-ruling> consid. 4a p. 101 et les arrêts cités).
3.2 La procédure administrative fédérale est régie par le principe de la libre appréciation des preuves (art. 40 de la loi fédérale de procédure civile fédérale du 4 décembre 1947 [PCF; RS 273], applicable par renvoi de l'art. 19 de la loi fédérale du 20 décembre 1968 sur la procédure administrative [PA; RS 172.021]). Ce principe vaut également devant le Tribunal administratif fédéral (<ref-law>). L'administration supporte le fardeau de la preuve lorsque la décision intervient, comme en l'espèce, au détriment de l'administré. Cela étant, la jurisprudence admet dans certaines circonstances que l'autorité puisse se fonder sur une présomption. C'est notamment le cas pour établir que le conjoint naturalisé a menti lorsqu'il a déclaré former une union stable, dans la mesure où il s'agit d'un fait psychique, lié à des éléments relevant de la sphère intime, souvent inconnus de l'administration et difficiles à prouver (<ref-ruling> consid. 3.2 p. 485). Partant, si l'enchaînement rapide des événements fonde la présomption de fait que la naturalisation a été obtenue frauduleusement, il incombe alors à l'administré, en raison non seulement de son devoir de collaborer à l'établissement des faits (<ref-law>; cf. <ref-ruling> consid. 3.2 p. 115 s.), mais encore dans son propre intérêt, de renverser cette présomption (<ref-ruling> consid. 3.2 p. 485 s.).
S'agissant d'une présomption de fait, qui ressortit à l'appréciation des preuves et ne modifie pas le fardeau de la preuve (cf. <ref-ruling> consid. 3.2 p. 486), l'administré n'a pas besoin, pour la renverser, de rapporter la preuve contraire du fait présumé, à savoir faire acquérir à l'autorité la certitude qu'il n'a pas menti; il suffit qu'il parvienne à faire admettre l'existence d'une possibilité raisonnable qu'il n'ait pas menti en déclarant former une communauté stable avec son conjoint. Il peut le faire en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer une détérioration rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité de ses problèmes de couple au moment de la signature de la déclaration commune (<ref-ruling> consid. 3 p. 165 s.; arrêt 5A.12/2006 du 23 août 2006 consid. 2.3 et les arrêts cités).
4. Dans le cas particulier, le Tribunal administratif fédéral a relevé que le très court laps de temps entre la déclaration commune (22 mars 2005), l'octroi de la naturalisation facilitée (28 avril 2005) et la séparation de fait des époux (30 avril 2005), ayant conduit à la demande de divorce, tendait à confirmer que le couple n'envisageait déjà plus une vie future partagée lors de la signature de ladite déclaration. Cette conviction était renforcée par la rapidité avec laquelle le recourant avait entrepris des démarches en vue de se voir conférer la nationalité suisse. Il ressortait ainsi du dossier que, après avoir obtenu une autorisation de séjour liée à son statut d'époux d'une ressortissante suisse dans le courant de l'été 1999, l'intéressé avait déposé une première demande de naturalisation facilitée le 26 février 2002 déjà, soit bien avant l'écoulement du délai quinquennal prévu à l'art. 27 al. 1 let. a LN; pareil empressement suggérait immanquablement que le recourant avait hâte d'obtenir la naturalisation facilitée rendue possible par son mariage (cf. arrêt 5A.13/2004 du 16 juillet 2004 consid. 3.1). Dans le même ordre d'idée, l'on pouvait relever la précipitation avec laquelle le recourant s'était remarié le 4 janvier 2008, soit deux mois seulement après le prononcé du divorce de sa première épouse le 31 octobre 2007.
Le recourant ne conteste aucun de ces éléments, lesquels sont propres à fonder la présomption que sa naturalisation a été obtenue frauduleusement. Il fait certes valoir que le couple qu'il formait avec A._ était heureux pendant la vie commune, qu'ils avaient des loisirs communs et des projets pour le futur; ces allégués ne permettent toutefois pas d'affaiblir ladite présomption, puisqu'il n'est de toute façon pas contesté que les époux X._-A._ se sont mariés dans le but premier de fonder une communauté conjugale.
5. Selon la jurisprudence précitée, il incombait dès lors au recourant de renverser cette présomption en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire, susceptible d'expliquer une dégradation aussi rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité de ses problèmes de couple au moment de la signature de la déclaration commune.
Le recourant allègue qu'il a tout d'abord été choqué que son épouse quitte le domicile conjugal. Il avait certes remarqué que celle-ci était insatisfaite ("Unzufriedenheit"), mais il pensait que c'était à cause des problèmes liés à son travail. Les époux croyaient cependant encore à leur mariage, puisqu'ils ont continué de se voir malgré la séparation. Comme l'a relevé le Tribunal administratif fédéral, il n'est pas vraisemblable que ladite insatisfaction ait été de nature à provoquer, à elle seule, la désunion du couple dans le laps de temps de quelques mois qui sépare la décision de naturalisation facilitée (28 avril 2005) et la séparation effective intervenue fin 2005. Il ne s'agit manifestement pas d'un événement extraordinaire, qui serait survenu de manière inattendue et subite, précisément quelques mois après l'obtention de la nationalité suisse. Les éventuelles difficultés qui peuvent surgir entre époux, après plusieurs années de vie commune, dans une communauté de vie effective, intacte et stable, n'entraînent en effet la désunion, selon l'expérience générale, qu'au terme d'un processus prolongé de dégradation des rapports conjugaux, en principe entrecoupés de tentatives de réconciliation (cf. arrêt 5A.11/2006 du 27 juin 2006 consid. 4.1 et arrêt 5A.18/2003 du 19 novembre 2003 consid. 2.2). Or, aucune trace d'éventuels efforts entrepris pour sauver l'union conjugale ne ressort du dossier, et cela bien que l'épouse fût suivie par une psychologue. A ce propos, l'affirmation du recourant selon laquelle la séparation devait justement permettre au couple de trouver une solution pour poursuivre leur mariage est peu convainquante.
Enfin, l'intéressé soutient que la détérioration de leur union aurait été précipitée en septembre 2005, lorsque son ex-épouse aurait rencontré son compagnon actuel. Ce motif de la rupture conjugale a été invoqué par le recourant au stade de la procédure de recours devant le Tribunal administratif fédéral seulement et est en contradiction avec les propos tenus par son ex-épouse, laquelle n'a jamais fait aucune allusion à une quelconque rencontre avec un tiers qui aurait précipité le couple vers la rupture. Elle aurait au contraire affirmé, lors de son audition du 23 août 2006, que les difficultés conjugales, survenues à partir de l'année 2003, étaient dues aux horaires de travail irréguliers de son époux. Dans ces circonstances, il apparaît que le recourant n'a pas réussi à rendre vraisemblable la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer une dégradation aussi rapide du lien conjugal et que les éléments avancés ne permettent pas de renverser la présomption établie. Il en découle que les conditions d'application de l'art. 41 LN sont remplies et que le Tribunal administratif fédéral n'a pas abusé de son pouvoir d'appréciation en confirmant l'annulation de la naturalisation facilité octroyée au recourant.
6. Les considérants qui précèdent conduisent au rejet du recours. Les conclusions du recourant étaient dénuées de toute chance de succès, de sorte qu'il convient de lui refuser l'assistance judiciaire, sans qu'il y ait lieu d'examiner si la condition de l'indigence était réalisée (<ref-law>). Succombant, le recourant doit donc supporter les frais judiciaires (art. 65 et 66 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. La requête d'assistance judiciaire est rejetée.
3. Un émolument judiciaire de 2'000 fr. est mis à la charge du recourant.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties et au Tribunal administratif fédéral, Cour III.
Lausanne, le 21 février 2011
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Fonjallaz Mabillard