Faits:
A. T._, née au Portugal et domiciliée en Suisse, a travaillé en qualité de polisseuse dans une manufacture de cadrans jusqu'au 16 août 2004, date à partir de laquelle elle a été mise en arrêt de travail total en raison de lombalgies chroniques. Le 4 juillet 2005, elle a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité. Entre autres mesures d'instruction, l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Neuchâtel (ci-après: l'office AI) a soumis l'assurée à une expertise auprès du Centre d'expertise médicale à Y._ (CEMed), une première fois en avril 2006 (rapport du 26 mai 2006, complété le 22 septembre 2006) - soit un peu plus d'un mois après une intervention chirurgicale à la main droite (résection de la première rangée du carpe droit pour malacie du semi-lunaire) -, puis une seconde fois en octobre 2007. Dans leur rapport du 18 décembre 2007, complété le 6 mai 2008, les docteurs J._, rhumatologue, et L._, psychiatre et psychothérapeute, ont fait état de diagnostics sans répercussion sur la capacité de travail, dont notamment des lombosciatalgies séquellaires à une laminectomie pour hernie discale et canal lombaire étroit, une impotence fonctionnelle douloureuse du poignet droit, un syndrome fibromyalgique et une dysthymie. Ils ont conclu à une capacité de travail entière dans une activité adaptée (port de charges inférieures à 15 kg et changement régulier des positions), le travail exercé précédemment n'étant pas "des plus judicieux".
Le 18 juillet 2008, l'office AI a informé l'assurée qu'il comptait lui allouer une demi-rente d'invalidité à partir du 1er août 2005, puis une rente entière du 1er mai 2006 au 31 octobre 2007. Il a considéré qu'elle avait été incapable de travailler à 50 % dans toute activité à l'échéance du délai de carence d'une année, en août 2005, avant que son état de santé ne s'aggrave dès février 2006; en revanche, à partir du 19 octobre 2007, l'intéressée avait retrouvé une capacité de travail entière dans une activité adaptée. T._ ayant contesté cette appréciation, l'office AI a complété son instruction en ce qui concerne notamment une hospitalisation de l'assurée en milieu psychiatrique du 4 au 20 décembre 2007. Le 13 mars 2009, il a rendu deux décisions, par lesquelles il a mis T._ au bénéfice d'une demi-rente d'invalidité à partir du 1er août 2005, puis d'une rente entière du 1er mai 2006 au 31 octobre 2007.
B. L'assurée a formé recours devant le Tribunal administratif, Cour des assurances sociales, de la République et canton de Neuchâtel, en concluant principalement à ce que lui soit accordée une rente entière d'invalidité au-delà du 31 octobre 2007 pour une durée indéterminée. Elle a été déboutée par jugement du 2 septembre 2010.
C. T._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, dont elle demande l'annulation. Sous suite de frais et dépens, elle conclut principalement à ce que lui soit reconnu le droit à une rente entière d'invalidité à partir du 1er août 2005 "et pour une durée indéterminée, donc également au-delà du 31 octobre 2007". A titre subsidiaire, elle requiert le renvoi de la cause au Tribunal administratif neuchâtelois ou à l'office AI pour la mise en oeuvre d'une nouvelle expertise pluridisciplinaire.
L'office AI conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. 1.1 Le recours en matière de droit public (<ref-law>) peut être formé pour violation du droit selon l'art. 95 sv. LTF. Le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<ref-law>), sous réserve des cas prévus à l'<ref-law>. Cette disposition lui donne la faculté de rectifier ou compléter d'office l'état de fait de l'arrêt attaqué dans la mesure où des lacunes ou erreurs dans celui-ci lui apparaîtraient d'emblée comme manifestes. Quant au recourant, il ne peut critiquer la constatation de faits importants pour le jugement de la cause que si ceux-ci ont été constatés en violation du droit au sens de l'<ref-law> ou de manière manifestement inexacte (<ref-law>).
1. 1.1 Le recours en matière de droit public (<ref-law>) peut être formé pour violation du droit selon l'art. 95 sv. LTF. Le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<ref-law>), sous réserve des cas prévus à l'<ref-law>. Cette disposition lui donne la faculté de rectifier ou compléter d'office l'état de fait de l'arrêt attaqué dans la mesure où des lacunes ou erreurs dans celui-ci lui apparaîtraient d'emblée comme manifestes. Quant au recourant, il ne peut critiquer la constatation de faits importants pour le jugement de la cause que si ceux-ci ont été constatés en violation du droit au sens de l'<ref-law> ou de manière manifestement inexacte (<ref-law>).
1.2 1.2.1 L'<ref-law> déclare irrecevable toute conclusion nouvelle, c'est-à-dire toute conclusion qui n'aurait pas été soumise à l'autorité précédente et qui tend, par conséquent, à élargir l'objet du litige. Il est donc exclu de demander davantage ou autre chose que ce qui figure dans les dernières conclusions prises devant l'autorité précédente. Il n'est donc pas possible d'augmenter les conclusions, de les modifier ou d'en ajouter de nouvelles (Message du 28 février 2001 concernant la révision totale de l'organisation judiciaire fédérale, FF 2001 4137 ch. 4.1.4.3; BERNARD CORBOZ, in Commentaire de la LTF, 2009, no 30 ad art. 99; ULRICH MEYER, in Bundesgerichtsgesetz, 2008, n° 61 ad art. 99).
1.2.2 En procédure cantonale, la recourante a conclu à ce que lui soit accordée une rente entière d'invalidité au-delà du 31 octobre 2007 pour une durée indéterminée, tandis qu'en procédure fédérale, elle demande à ce que lui soit allouée une rente entière d'invalidité à partir du 1er août 2005. En requérant une telle prestation à partir d'une date antérieure à celle figurant dans ses conclusions prises en instance cantonale, la recourante modifie et augmente ses conclusions devant le Tribunal fédéral, ce qu'elle n'est pas en droit de faire conformément à l'<ref-law>. Le recours n'est par conséquent recevable que dans la mesure où il porte sur l'octroi d'une rente entière d'invalidité au-delà du 31 octobre 2007.
2. Le jugement entrepris expose de manière exacte et complète les règles légales et la jurisprudence sur la notion d'invalidité et son évaluation, la valeur probante de rapports médicaux, la fibromyalgie, ainsi que sur la révision au sens de l'<ref-law> (applicable par analogie à une décision par laquelle est accordée une rente avec effet rétroactif, en même temps qu'est prévue sa réduction ou sa suppression). Il suffit dès lors d'y renvoyer.
3. Se plaignant d'arbitraire dans l'appréciation des preuves et la constatation des faits, la recourante reproche à la juridiction cantonale de n'avoir retenu aucune invalidité à compter du 31 octobre 2007, alors qu'elle souffrait de douleurs rachidiennes lombaires, d'une atteinte au poignet droit et d'une fibromyalgie qui l'empêchaient d'exercer toute activité professionnelle. En ce qui concerne cette dernière affection, elle fait valoir que l'autorité cantonale de recours n'était pas en droit de suivre l'expertise du CEMed, parce que les médecins n'avaient examiné que de manière très incomplète et superficielle ses troubles psychiques. Invoquant par ailleurs une violation du principe inquisitoire, la recourante soutient que les premiers juges auraient dû ordonner une expertise complémentaire, parce que le rapport du CEMed ne contenait pas une analyse des critères jurisprudentiels relatifs au caractère invalidant d'une fibromyalgie.
3.1 Le Tribunal fédéral n'examine le résultat de l'appréciation des preuves à laquelle a procédé l'autorité cantonale de recours que sous l'angle restreint de l'arbitraire. Il en va de même du refus de l'instance précédente de compléter l'instruction par une nouvelle expertise sur la base d'une appréciation anticipée des preuves, lorsque le recourant soulève les griefs de violation du devoir d'administrer les preuves nécessaires (art. 61 let. c LPGA; sur l'appréciation anticipée des preuves en général: <ref-ruling> consid. 3 p. 157; <ref-ruling> consid. 2 p. 428). L'appréciation des preuves est arbitraire lorsque l'autorité ne prend pas en compte, sans 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 (<ref-ruling> consid. 2.1 p. 9).
3.2 Avec son argumentation, la recourante ne parvient pas à établir le caractère arbitraire de l'appréciation des preuves à laquelle a procédé la juridiction cantonale, qui, à l'issue d'un examen des pièces médicales du dossier et en se fondant sur les conclusions de la seconde expertise du CEMed, a constaté que l'état de santé de l'assurée s'était amélioré en automne 2007 par rapport à la situation antérieure et qu'on pouvait exiger d'elle qu'elle mît à profit une capacité de travail entière dans une activité adaptée.
3.2.1 Contrairement à ce que prétend la recourante, la juridiction cantonale n'a pas formulé d'accusations de simulation à son encontre, même si elle a constaté, à la lumière des observations des médecins traitants et des experts du CEMed, une tendance à l'exagération. Elle a en revanche indiqué avoir été convaincue par les conclusions du docteur J._, qu'elle a faites siennes, relatives à l'absence de substrat organique aux douleurs rachidiennes lombaires et à l'impotence fonctionnelle douloureuse, qui n'étaient plus de nature à entraîner une incapacité de travail dans une activité adaptée. L'expert n'avait mis en évidence aucun déficit neurologique ou lésion anatomique susceptible d'expliquer les douleurs rachidiennes lombaires et fait état à cet égard, comme au sujet de la pathologie au poignet, d'une dissociation particulièrement importante entre l'importance des plaintes et les observations objectives, ce qui l'a conduit à diagnostiquer un syndrome douloureux chronique analogue à un syndrome fibromyalgique. Ces conclusions ont du reste été confirmées dans une large mesure par le docteur R._, spécialiste en neurologie, qui a indiqué n'avoir objectivé aucun déficit suggérant une neuropathie focale notamment au niveau de la main droite et des membres inférieurs ou une polyneuropathie, ni de signe radiculaire irritatif au niveau du syndrome lombovertébral, qualifié de modéré (rapport du 10 septembre 2008).
C'est en vain que la recourante se réfère au rapport du docteur A._ (du 15 avril 2008) pour énumérer les affections dont elle souffre et critiquer les constatations de la juridiction cantonale. L'avis du médecin traitant n'est en effet pas susceptible de remettre en cause l'évaluation médicale complète sur laquelle se sont fondés les premiers juges, puisqu'il ne met en évidence aucun élément objectivement vérifiable, de nature notamment clinique ou diagnostique, qui aurait été ignoré par le docteur J._.
3.2.2 Quant au second volet du rapport du CEMed, les critiques émises par la recourante à l'encontre de l'appréciation psychiatrique de la doctoresse L._ sont également mal fondées. En ce qui concerne le prétendu caractère superficiel de l'analyse de ce médecin, il ne peut être déduit du fait invoqué par la recourante à cet égard que l'experte a mentionné l'Espagne au lieu du Portugal lorsqu'elle a raconté le souhait de l'assurée de retourner dans son pays d'origine pour y soigner sa mère. Par ailleurs, la doctoresse L._ ne s'est pas limitée à relater son entretien avec l'assurée, comme le prétend celle-ci, mais a procédé, après avoir décrit les plaintes de la recourante et son comportement, à une appréciation circonstanciée de la situation sur le plan psychique. Elle a ainsi expliqué les raisons pour lesquelles elle retenait le diagnostic de dysthymie et de majoration des symptômes physiques pour des raisons psychologiques (F68.0), mais excluait un syndrome douloureux somatoforme persistant (F45.4) et un trouble dissociatif (F44), compris dans le diagnostic différentiel (pages 22 à 30 de l'expertise du 18 décembre 2007). Selon le médecin, si l'assurée présentait des capacités fortement diminuées d'élaboration psychique permettant la résolution de conflits intrapsychiques, on pouvait raisonnablement exiger de sa part qu'elle prît régulièrement son traitement antalgique et psychotrope, ce qu'elle ne faisait pas alors; en conclusion, la capacité de travail de l'assurée était entière sur le plan psychique et l'anamnèse ne mettait pas en évidence de trouble de l'humeur majeur d'intensité sévère.
Il est vrai, comme le fait valoir la recourante, que dans le cas d'une fibromyalgie, eu égard à la mission qui lui est confiée, un expert faillirait à celle-ci s'il ne tenait pas compte des différents critères mis en évidence par le Tribunal fédéral pour apprécier le caractère invalidant d'une telle atteinte (cf. <ref-ruling> consid. 4.2 et 4.3 p. 70). Toutefois, on ne saurait en l'espèce reprocher à la doctoresse L._ de n'avoir pas pris en considération ces critères pour apprécier la vraisemblance de l'état douloureux de la recourante. Alors que le docteur J._ avait fait état, sur le plan rhumatologique, d'un syndrome de fibromyalgie, la psychiatre a pour sa part exclu le diagnostic de syndrome douloureux somatoforme persistant. Selon elle, le comportement démonstratif de l'intéressée était tellement marqué qu'il excluait un tel syndrome. L'experte avait constaté clairement une attitude histrionique et que le comportement déficitaire (difficulté à la marche) n'était pas constant et fluctuait. Lors de l'examen clinique, l'assurée avait été démonstrative en adoptant un comportement histrionique avec initialement de la difficulté à se déplacer, difficulté qui avait disparu complètement en fin d'entretien; il n'y avait pas de comportements algiques ni de focalisation du discours sur les plaintes algiques et la présentation changeait lorsqu'étaient abordés des sujets moins graves. Dès lors que la doctoresse L._ a exclu de façon motivée le diagnostic de trouble somatoforme douloureux, elle n'avait pas à se prononcer sur les différents critères dégagés par la jurisprudence en rapport avec les troubles somatoformes douloureux et la fibromyalgie.
Par ailleurs, comme l'ont relevé à juste titre les premiers juges, l'exigibilité de la reprise d'une activité adaptée à plein temps, telle que mise en évidence par les médecins du CEMed, apparaît d'autant plus justifiée qu'il est admissible, selon la jurisprudence, de conclure dans le cas de fibromyalgie (comme de troubles somatoformes douloureux) à l'absence d'une atteinte à la santé ouvrant le droit aux prestations d'assurance, si les limitations liées à l'exercice d'une activité résultent, comme en l'espèce selon les constatations des premiers juges, d'une exagération des symptômes. Dès lors, enfin, que la psychiatre traitant de la recourante a évalué la situation de sa patiente sans se prononcer sur l'appréciation de sa consoeur L._ (rapport de la doctoresse U._ du 14 octobre 2008), ses constatations ne sont pas suffisantes pour remettre en cause les conclusions des médecins du CEMed. Il en va de même, pour les raisons indiquées par la juridiction cantonale auxquelles on peut renvoyer, du rapport d'hospitalisation de la Maison de santé X._ (du 28 août 2008), invoqué par la recourante.
3.3 Il résulte de ce qui précède que la juridiction cantonale pouvait, sans tomber dans l'arbitraire, renoncer à ordonner une nouvelle expertise médicale, qui ne se révélait pas nécessaire au regard des pièces au dossier, et choisir de s'en tenir à l'évaluation des docteurs J._ et L._, plutôt qu'à ceux des médecins traitants.
Le recours est, en conséquence, mal fondé.
4. Vu l'issue du litige, la recourante doit supporter les frais judiciaires afférents à la présente procédure (<ref-law>).

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 500 fr., sont mis à la charge de la recourante.
3. Le présent arrêt est communiqué aux parties, au Tribunal administratif du canton de Neuchâtel et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 12 mai 2011
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Meyer Moser-Szeless