Sachverhalt:
A. Das Gerichtspräsidium Bremgarten sprach X._ am 9. Februar 2010 von der Anklage des Fahrens in angetrunkenem Zustand und den weiteren gegen ihn erhobenen Vorwürfen frei.
Auf Beschwerde der Staatsanwaltschaft hin erkannte das Obergericht des Kantons Aargau X._ am 20. September 2010 des Führens eines Motorfahrzeugs in angetrunkenem Zustand (qualifizierte Blutalkoholkonzentration; Art. 91 Abs. 1 Satz 2 i.V.m. <ref-law> und Art. 2 Abs. 1 VRV) und der Nichtbeachtung eines polizeilichen Haltezeichens (Art. 90 Ziff. 1 i.V.m. <ref-law>) sowie des Vorschriftssignals "Verbot für Motorwagen" (Art. 90 Ziff. 1 i.V.m. <ref-law>) schuldig und verurteilte ihn zu einer bedingten Geldstrafe von 15 Tagessätzen zu Fr. 70.-- und einer Busse von insgesamt Fr. 1'100.--.
B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit dem Antrag, das Urteil vom 20. September 2010 aufzuheben und ihn von Schuld und Strafe freizusprechen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er beantragt die aufschiebende Wirkung der Beschwerde.
C. Das Gesuch um aufschiebende Wirkung wurde mit Präsidialverfügung vom 25. November 2010 abgewiesen.
D. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer rügt Willkür bei der Beweiswürdigung und eine Verletzung des Grundsatzes in dubio pro reo.
1.1 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie willkürlich (<ref-law>) ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.4.1). Dem Grundsatz in dubio pro reo kommt in seiner vom Beschwerdeführer angerufenen Funktion als Beweiswürdigungsregel (vgl. Beschwerde S. 19 und 21) im Verfahren vor dem Bundesgericht keine über das Willkürverbot von <ref-law> hinausgehende selbständige Bedeutung zu (<ref-ruling> E. 2a; <ref-ruling> E. 2a; je mit Hinweisen).
Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (<ref-ruling> E. 5.4 mit Hinweisen). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (<ref-law>; <ref-ruling> E. 2.2).
Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (<ref-ruling> E. 5.4 mit Hinweisen). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (<ref-law>; <ref-ruling> E. 2.2).
1.2 Die Vorinstanz hält folgenden Sachverhalt für erwiesen:
Der Beschwerdeführer fuhr am 18. April 2009 um ca. 1.30 Uhr in angetrunkenem Zustand mit dem Personenwagen seiner als Beifahrerin anwesenden Ehefrau A._ von Niederwil nach Fischbach-Göslikon. Er wurde von einer polizeilichen Verkehrspatrouille beobachtet, als er auf der S._strasse in Fischbach-Göslikon das Vorschriftssignal "Verbot für Motorwagen" missachtete. Die von den Polizeibeamten eingeschaltete "Stopp Polizei"-Matrix beachtete er nicht, sondern setzte seine Fahrt bis zu seinem Wohnort fort. Dort angekommen flüchtete er zu Fuss in den Garten der Liegenschaft. Der Polizeibeamte P._ versuchte den flüchtenden Beschwerdeführer zu verfolgen, verlor ihn aber bald aus den Augen. Zwischenzeitlich erblickte der vor der Terrassentür positionierte Polizeibeamte Q._ im Inneren des Hauses einen Mann, der über die Treppe vom Untergeschoss herkommend das Erdgeschoss betrat und sich anschliessend ins Obergeschoss begab, wo wenig später für kurze Zeit in einem Zimmer das Licht eingeschaltet wurde. Als die Polizisten dieses Zimmer aufsuchten, fanden sie den Beschwerdeführer im Bett liegend mit einer Blutalkoholkonzentration von 1.17 - 1.79 Promillen vor.
1.3 Der Beschwerdeführer macht geltend, eine ihm unbekannte Drittperson habe das Fahrzeug seiner Ehefrau gelenkt. Er habe die Gewerbeausstellung in Niederwil um ca. 0.30 Uhr alleine verlassen und sei zu Fuss nach Hause zurückgekehrt. Um ca. 1.00 Uhr sei er dort angekommen und habe sich schlafen gelegt. Später hätten ihn die beiden Polizisten aus dem Bett geholt und mit den ungerechtfertigten Vorwürfen konfrontiert. Seine inzwischen getrennt von ihm lebende Ehefrau habe ihn erst anlässlich der Befragung vom 26. August 2009 belastet, nachdem das Trennungsverfahren eingeleitet worden sei. Sie habe ihn wohl aus Rache der Tat beschuldigt und damit die Hoffnung verbunden, im Trennungsverfahren Vorteile zu haben (Beschwerde Ziff. 14 S. 10 f.). Verschiedene Zeugen hätten bestätigt, dass er damals zu Fuss nach Hause zurückgekehrt sei (Beschwerde Ziff. 23 ff. S. 14 ff.).
1.4 Die Vorinstanz stützt sich im Wesentlichen auf die nach ihrer Auffassung überzeugenden Angaben der anwesenden Polizisten. Der Polizeibeamte P._ sagte als Zeuge aus, er habe den Beschwerdeführer als Lenker des ihm entgegenkommenden Fahrzeugs identifizieren können (vgl. angefochtenes Urteil E. 3.2.2.1 und 3.2.2.2). Der Polizeibeamte Q._ erkannte den Beschwerdeführer gemäss dem Polizeibericht nicht nur als Täter, sondern auch als die Person, die er vom Unter- ins Obergeschoss der Liegenschaft hochsteigen sah (angefochtenes Urteil E. 3.2.2.3). A._ bestätigte wiederholt, sie habe sich damals in Begleitung ihres Ehemanns befunden. Die Vorinstanz hält ihre Aussagen für glaubhaft. Aus der Tatsache, dass sie in der Tatnacht und am 23. April 2009 vollumfänglich von ihrem Zeugnisverweigerungsrecht Gebrauch gemacht habe, könne nichts zugunsten des Beschwerdeführers abgeleitet werden. Abgesehen davon, dass sie am 18. April 2009 erst nach einem Gespräch mit diesem keine Angaben mehr habe machen wollen, sei ohne Weiteres nachvollziehbar, dass sie sich, auch wenn das Verhältnis zu ihrem Ehemann getrübt und die Trennung absehbar gewesen sei, in einem Gewissenskonflikt befunden habe. Es sei davon auszugehen, dass ihr u.a. der Auszug aus der ehelichen Liegenschaft im Juni 2009 erleichtert habe, ihre Version zu schildern. Für die Behauptung des Beschwerdeführers, seine Ehefrau habe sich an ihm rächen wollen, bestünden keine Anhaltspunkte. A._ sei an der Gewerbeausstellung um 1.15 Uhr nicht in Begleitung eines fremden Mannes gewesen. Auch später im Hause des Beschwerdeführers sei keine Drittperson angetroffen worden (angefochtenes Urteil E. 3.2.3 S. 10 ff.). Die Aussagen der Zeugen L._, M._ und N._, welche den Beschwerdeführer zwischen 00.00 und 1.00 Uhr zu Fuss und alleine auf dem Heimweg zwischen Niederwil und Fischbach-Göslikon abgetroffen haben wollen, seien zwar isoliert betrachtet nicht per se als unglaubhaft einzustufen. Der Umstand, dass der von den Polizisten und A._ geschilderte Sachverhalt glaubhaft sei, lasse indessen nur den Schluss zu, dass der Beschwerdeführer das Fahrzeug gelenkt habe (E. 3.3 S. 13 f.).
1.4 Die Vorinstanz stützt sich im Wesentlichen auf die nach ihrer Auffassung überzeugenden Angaben der anwesenden Polizisten. Der Polizeibeamte P._ sagte als Zeuge aus, er habe den Beschwerdeführer als Lenker des ihm entgegenkommenden Fahrzeugs identifizieren können (vgl. angefochtenes Urteil E. 3.2.2.1 und 3.2.2.2). Der Polizeibeamte Q._ erkannte den Beschwerdeführer gemäss dem Polizeibericht nicht nur als Täter, sondern auch als die Person, die er vom Unter- ins Obergeschoss der Liegenschaft hochsteigen sah (angefochtenes Urteil E. 3.2.2.3). A._ bestätigte wiederholt, sie habe sich damals in Begleitung ihres Ehemanns befunden. Die Vorinstanz hält ihre Aussagen für glaubhaft. Aus der Tatsache, dass sie in der Tatnacht und am 23. April 2009 vollumfänglich von ihrem Zeugnisverweigerungsrecht Gebrauch gemacht habe, könne nichts zugunsten des Beschwerdeführers abgeleitet werden. Abgesehen davon, dass sie am 18. April 2009 erst nach einem Gespräch mit diesem keine Angaben mehr habe machen wollen, sei ohne Weiteres nachvollziehbar, dass sie sich, auch wenn das Verhältnis zu ihrem Ehemann getrübt und die Trennung absehbar gewesen sei, in einem Gewissenskonflikt befunden habe. Es sei davon auszugehen, dass ihr u.a. der Auszug aus der ehelichen Liegenschaft im Juni 2009 erleichtert habe, ihre Version zu schildern. Für die Behauptung des Beschwerdeführers, seine Ehefrau habe sich an ihm rächen wollen, bestünden keine Anhaltspunkte. A._ sei an der Gewerbeausstellung um 1.15 Uhr nicht in Begleitung eines fremden Mannes gewesen. Auch später im Hause des Beschwerdeführers sei keine Drittperson angetroffen worden (angefochtenes Urteil E. 3.2.3 S. 10 ff.). Die Aussagen der Zeugen L._, M._ und N._, welche den Beschwerdeführer zwischen 00.00 und 1.00 Uhr zu Fuss und alleine auf dem Heimweg zwischen Niederwil und Fischbach-Göslikon abgetroffen haben wollen, seien zwar isoliert betrachtet nicht per se als unglaubhaft einzustufen. Der Umstand, dass der von den Polizisten und A._ geschilderte Sachverhalt glaubhaft sei, lasse indessen nur den Schluss zu, dass der Beschwerdeführer das Fahrzeug gelenkt habe (E. 3.3 S. 13 f.).
1.5 1.5.1 Die Einwände des Beschwerdeführers lassen die vorinstanzliche Beweiswürdigung nicht offensichtlich unhaltbar erscheinen. Dass die Vorinstanz die Aussagen der im Fahrzeug als Beifahrerin anwesenden Ehefrau des Beschwerdeführers als glaubhaft einstuft und darauf abstellt, ist auch in Anbetracht der ehelichen Probleme nicht zu beanstanden. A._ bezichtigte in sämtlichen Einvernahmen nie einen Dritten der Tat und hat auch nicht angedeutet, eine andere Person als ihr Ehemann könnte das Fahrzeug gelenkt haben. Sie berief sich in der Tatnacht und anlässlich der Einvernahme vom 23. April 2009 vielmehr einzig auf ihr Aussageverweigerungsrecht als Ehegattin. Die Vorinstanz durfte daher ohne Willkür davon ausgehen, sie habe sich in einem Gewissenskonflikt befunden, von welchem sie sich erst nach der Trennung habe lösen können.
1.5.2 Was die Aussagen der Zeugen L._, M._ und N._ anbelangt, so wäre durchaus denkbar, dass sich der Beschwerdeführer anfänglich zu Fuss auf den Heimweg machte und in der Folge zur Gewerbeausstellung zurückkehrte, um seine Ehefrau abzuholen, welche an diesem Abend gemäss den Akten erheblich alkoholisiert war. Möglich wäre auch, dass er diese unterwegs antraf und das Fahrzeug in der Folge nach Hause lenkte. Die Vorinstanz weist zudem darauf hin, dass sich die Zeugen L._, M._ und N._ getäuscht haben könnten (angefochtenes Urteil E. 3.3.2 S. 14), was entgegen den Einwänden in der Beschwerde ebenfalls nicht ausgeschlossen scheint. Zwischen den angerufenen Zeugenaussagen und der vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellung bestehen daher keine unüberwindbaren Widersprüche, welche im angefochtenen Entscheid zu Unrecht unberücksichtigt blieben.
1.5.3 Der Zeuge P._ gab zu Protokoll, der Beschwerdeführer sei ihnen mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 50 km/h entgegengekommen und anschliessend seitlich an ihnen vorbeigefahren. Das Innere seines Fahrzeugs sei durch die Scheinwerfer des etwas höher positionierten Polizeifahrzeugs über eine Distanz von 25 bis 30 Metern ausgeleuchtet gewesen (kant. Akten, Urk. 132 ff.). Nicht ersichtlich ist, weshalb es den beiden Polizisten in der Tatnacht angesichts der Distanz und der Sichtverhältnisse unmöglich gewesen sein soll, den Beschwerdeführer als Lenker des Tatfahrzeugs zu erkennen. Die diesbezüglichen Ausführungen des Beschwerdeführers (vgl. Beschwerde S. 5 f. und 12) überzeugen nicht. Unbehelflich sind auch die Einwände, der Polizeibeamte P._ würde über ein schlechtes Erinnerungsvermögen verfügen und dessen Aussagen seien ungenau. Er habe an der Gerichtsverhandlung beispielsweise nicht mehr sagen können, ob der Beschwerdeführer, den er wenige Minuten zuvor angeschaut hatte, den Ohrring am linken oder rechten Ohr trug, und er habe die Merkmale des Tatfahrzeugs (Stufenheck und Anzahl Türen) falsch wiedergegeben (Beschwerde S. 6 ff.). Nach der allgemeinen Lebenserfahrung kann ein Zeuge ohne Weiteres in der Lage sein, Angaben zu Geschehensabläufen zu machen, ohne sich an Details dieser Art zu erinnern. Die übrigen vom Beschwerdeführer geltend gemachten Widersprüche basieren teilweise auf blossen Behauptungen und sind von vornherein nicht geeignet, Willkür darzutun.
2. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Aargau, Strafgericht, 3. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 7. Februar 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Unseld