Sachverhalt:
A. X._, geboren 1937, führte bis Ende März 2007 in Wetzikon eine eigene Arztpraxis. Ende 2001, kurz vor Erreichen seines 65. Altersjahres, liess er sich sein Vorsorgekapital von Fr. 421'100.-- aus der Säule 3a auszahlen. Per 1. Januar 2005, d.h. in seinem 68. Altersjahr, schloss er sich der Personalvorsorgestiftung für Ärzte und Tierärzte (nachfolgend: PAT-BVG) an und entrichtete 2005 reglementarische Beiträge von insgesamt Fr. 40'044.--. Dieses erstmalige Vorsorgeverhältnis der 2. Säule endete per Ende März 2007 mit der Aufgabe seiner selbständigen Erwerbstätigkeit. Seither bezieht er eine monatliche Altersrente von Fr. 741.--.
B. Für die Steuerperiode 2005 machten die Eheleute X._ und Y._ bei der Staats- und der direkten Bundessteuer geltend, die Vorsorgebeiträge von Fr. 40'044.-- seien von ihrem steuerbaren Einkommen abzuziehen. Dieser Abzug wurde vom Kantonalen Steueramt Zürich und der kantonalen Steuerrekurskommission verweigert, kantonal letztinstanzlich aber vom Verwaltungsgericht des Kantons Zürich mit Urteilen vom 18. November 2009 gewährt.
C. Am 26. Februar 2010 hat das Kantonale Steueramt betreffend die Staats- (Verfahren 2C_189/2010) und die direkte Bundessteuer (2C_190/2010) des Jahres 2005 Beschwerden in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten beim Bundesgericht eingereicht. Es stellt den Antrag, die verwaltungsgerichtlichen Urteile aufzuheben und die Entscheide der Steuerrekurskommission I des Kantons Zürich vom 28. Januar 2009 zu bestätigen.
D. X._ und Y._ sowie das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich schliessen auf Abweisung, die Eidgenössische Steuerverwaltung auf Gutheissung der Beschwerden.

Erwägungen:
1. 1.1 Die weitgehend gleich lautenden Beschwerden betreffen dieselben Parteien, richten sich gegen praktisch übereinstimmende Urteile und werfen identische Rechtsfragen auf. Es rechtfertigt sich deshalb, die Verfahren zu vereinigen und die Beschwerden in einem einzigen Urteil zu erledigen (vgl. <ref-law> in Verbindung mit <ref-law>; siehe u.a. <ref-ruling> E. 1 S. 60 f. mit Hinweis).
1.2 Die Beschwerden sind zulässig (vgl. <ref-law> in Verbindung mit Art. 146 des Bundesgesetzes vom 14. Dezember 1990 über die direkte Bundessteuer [DBG; SR 642.11] bzw. mit Art. 73 des Bundesgesetzes vom 14. Dezember 1990 über die Harmonisierung der direkten Steuern der Kantone und Gemeinden [StHG; SR 642.14]).
2. 2.1 Nach <ref-law>, Art. 9 Abs. 2 lit. d StHG und § 31 Abs. 1 lit. d des Steuergesetzes des Kantons Zürich vom 8. Juni 1987 (StG/ZH) werden die gemäss Gesetz, Statut oder Reglement geleisteten Einlagen, Prämien und Beiträge an die Alters-, Hinterlassenen- und Invalidenversicherung und an Einrichtungen der beruflichen Vorsorge von den Einkünften abgezogen (vgl. auch Art. 81 Abs. 2 des Bundesgesetzes über die berufliche Alters-, Hinterlassenen- und Invalidenvorsorge vom 25. Juni 1982 ([BVG; SR 831.40]). Die Abzugsfähigkeit gilt für periodische Beiträge wie grundsätzlich auch für einmalige Einkaufsbeiträge (unter Vorbehalt von <ref-law> und Art. 79a BVG), und es spielt keine Rolle, ob die Vorsorge den obligatorischen oder den überobligatorischen Bereich betrifft (vgl. u.a. <ref-ruling> E. 4.2 S. 633).
2.2 Der Anspruch auf Altersleistungen entsteht nach Art. 13 Abs. 1 BVG von Gesetzes wegen für Männer mit dem zurückgelegten 65. und für Frauen mit dem zurückgelegten 64. Altersjahr (ab 2005). Gemäss Art. 13 Abs. 2 BVG können die reglementarischen Bestimmungen der Vorsorgeeinrichtung allerdings vorsehen, dass der Anspruch auf Altersleistungen mit der Beendigung der Erwerbstätigkeit entsteht (was nach Abs. 2 Satz 2 eine Anpassung des Umwandlungssatzes zur Folge hat). Diese Ausnahmeregelung ermöglicht einerseits, die Erwerbstätigkeit vor Erreichen des gesetzlichen Rentenalters zu beenden (sog. Frühpensionierung). Wenn aber andererseits die versicherte Person weiter erwerbstätig ist, dann können die Reglemente gestützt auf Art. 13 Abs. 2 BVG unbestrittenermassen auch ein höheres Rentenalter vorsehen (vgl. in diesem Sinne schon die Materialien: BBl 1976 I 227). Das gilt für die obligatorische Versicherung, aber ebenso im Bereich der weitergehenden Vorsorge (vgl. zum Ganzen u.a.: SZS 2008 368 E. 3.4; ASA 79 491 E. 2.2).
Im Einklang mit der gesetzlichen Regelung gilt gemäss Anhang V der PAT-BVG als reglementarisches Rücktrittsalter für männliche Versicherte das vollendete 65. und für weibliche Versicherte das vollendete 64. Altersjahr. Gemäss Art. 5.2.1 kann der Versicherte nach Erreichen des reglementarischen Rücktrittsalters auf den nächstfolgenden Monatsersten die Alterspensionierung verlangen. Vorbehalten bleiben Art. 5.2.3 (Aufschub der Pensionierung) und Art. 5.2.4 (vorzeitiger Ruhestand). Art. 5.2.3 lautet: "Wird das Arbeitsverhältnis oder eine selbständige Erwerbstätigkeit eines Versicherten über das reglementarische Rücktrittsalter hinaus ganz oder teilweise fortgesetzt, ist die Rentenzahlung entsprechend ganz oder teilweise bis zum tatsächlichen Altersrücktritt aufzuschieben. Auf dem vollen oder reduzierten versicherten Lohn sind die reglementarischen Beiträge weiter zu entrichten. Der Aufschub ist längstens bis zum 70. Altersjahr möglich. (...)."
2.3 Gestützt auf diese Gesetzes- und Reglements-Bestimmungen hat die Vorinstanz angenommen, der Beschwerdegegner habe sich sogar nach seinem 65. Altersjahr noch neu der PAT-BVG anschliessen können. Deshalb seien die von ihm im Jahr 2005 geleisteten Beiträge zum Abzug vom steuerbaren Einkommen zuzulassen. Dagegen vertreten das Kantonale Steueramt und die Eidgenössische Steuerverwaltung (wie die kantonale Rekurskommission) die Auffassung, ein solcher Anschluss sei nicht mehr möglich, genauso wenig wie eine steuerliche Begünstigung der Beiträge.
2.4 Die zitierten gesetzlichen und reglementarischen Bestimmungen enthalten zwar keine auf den ersten Blick ersichtliche Antwort auf die hier zu beurteilende Frage. Den Vorschriften lassen sich indessen mehrere übereinstimmende Indizien entnehmen: Art. 13 BVG befasst sich mit der Frage, wann eine versicherte Person Anspruch auf Altersleistungen hat. Dieser Zeitpunkt ist grundsätzlich in Abs. 1 geregelt. Abs. 2 sieht Ausnahmen vor, u.a. bei einem Aufschub des Rücktritts. In allen Fällen muss es sich jedoch, wie soeben hervorgehoben, um ein bereits bestehendes Vorsorgeverhältnis handeln. Das ergibt sich weiter aus dem zweiten Satz von Abs. 2, wonach der Umwandlungssatz bei einem Aufschub "entsprechend anzupassen" (und nicht etwa neu festzusetzen) ist (vgl. im gleichen Sinne nun auch den neuen, noch nicht in Kraft getretenen Art. 33b BVG und seine gesetzgeberischen Hintergründe: BBl 2007 5723, BBl 2009 8775; diese Bestimmung setzt genauso die Weiterführung eines schon bestehenden Verhältnisses voraus).
Damit steht das hier anwendbare Reglement im Einklang. Gemäss dessen Art. 5.2.3 sind bei aufgeschobenem Rücktritt die reglementarischen Beiträge "weiter zu entrichten", woraus ebenfalls auf eine notwendigerweise schon begründete Versicherung zu schliessen ist. Der vom Beschwerdegegner in seinem 68. Altersjahr neu abgeschlossene Vertrag liegt somit ausserhalb der beruflichen Vorsorge und ist stattdessen der freiwilligen individuellen Vorsorge zuzurechnen, die steuerlich nicht privilegiert ist.
2.5 Dieses Ergebnis entspricht auch den Erfordernissen des verfassungsmässigen Gleichbehandlungsgebots von <ref-law>:
2.5.1 Unselbständige, welche das reglementarische Rücktrittsalter erreicht haben und Altersrenten beziehen, können gemäss der Praxis nicht ein auf die weitergehende berufliche Vorsorge beschränktes Versicherungsverhältnis fortführen. Es ist ihnen verwehrt, steuerlich abziehbare ordentliche Beiträge und Einkaufsbeiträge ausschliesslich an die Säule 2b zu entrichten. Das Bundesgericht begründet das damit, dass nach der Konzeption des BVG die über die gesetzlichen Mindestbestimmungen (insbesondere Art. 13-26 BVG) hinausgehenden Leistungen diejenigen der Grundversicherung ergänzen sollen (deshalb auch der Begriff der "weitergehenden Vorsorge"). Der Vorsorgeschutz im Überobligatorium setzt daher prinzipiell voraus, dass die betreffende Person im obligatorischen Bereich aktiv versichert ist. Die Möglichkeit, sich unter Ausschluss der Grundversicherung einer Einrichtung der weitergehenden Vorsorge anzuschliessen, ist zwar in bestimmten Ausnahmefällen vom Gesetz vorgesehen (vgl. ASA 79 491 E. 3.2), jedoch für vorsorgepflichtige Unselbständigerwerbende, welche bereits das Rentenalter erreicht haben, grundsätzlich als systemwidrig abzulehnen. Eine solche Versicherungsgestaltung stellt eine freiwillige individuelle Vorsorge dar, die steuerlich nicht privilegiert werden kann (vgl. zum Ganzen ASA 79 491 E. 3.1). Wenn aber Unselbständigerwerbende schon ein vorbestehendes Verhältnis im Bereich der Säule 2b nicht steuerlich privilegiert weiterführen können, dann ist es ihnen umso mehr verwehrt, ein solches Verhältnis nach dem gesetzlichen bzw. reglementarischen Rücktrittsalter neu zu begründen.
2.5.2 Nach Art. 4 Abs. 1 BVG können sich u.a. Selbständigerwerbende, die der obligatorischen Versicherung nicht unterstellt sind, freiwillig versichern lassen. Gemäss dem ab dem 1. Januar 2005 gültigen (und hier somit anwendbaren) Art. 4 Abs. 3 BVG haben Selbständigerwerbende nunmehr die Möglichkeit, sich ausschliesslich (d.h. unter Ausschluss der obligatorischen Vorsorge) bei einer Einrichtung der weitergehenden Vorsorge zu versichern. Durch die Möglichkeit, sich im Bereich der obligatorischen oder nur der weitergehenden Vorsorge versichern zu lassen (bzw. beide Vorsorgeformen zu kombinieren), wurde bezweckt, den besonderen Verhältnissen der Selbständigerwerbenden Rechnung zu tragen, weil deren Einkommenssituation und Vorsorgebedürfnisse sich massgeblich von jenen der Arbeitnehmenden unterscheiden. Da auch bei schwankendem Einkommen die Vorsorgebedürfnisse für Selbständigerwerbende bestehen bleiben, müssen sie in der Lage sein, den Risikoschutz dann aufzubauen, wenn sie über freie Mittel verfügen. Aus den Materialien ergibt sich aber auch deutlich, dass den Selbständigerwerbenden die Möglichkeit des Aufbaus einer Altersvorsorge nur "bis zur Pensionierung" offenstehen und kein "Steuerschlupfloch" geschaffen werden soll (AB 2002 N 519 ff.; S 1040 ff.; 2003 N 624). Um missbräuchlichen Vorsorgegestaltungen entgegenzuwirken, wurde in Art. 4 Abs. 4 zusätzlich präzisiert, dass die geleisteten Beiträge und Einlagen dauernd der beruflichen Vorsorge dienen müssen (vgl. zum Ganzen ASA 79 491 E. 3.3).
Den unterschiedlichen Vorsorgesituationen unselbständig und selbständig Erwerbstätiger wird weiter durch Art. 7 Abs. 1 der Verordnung vom 13. November 1985 über die steuerliche Abzugsberechtigung für Beiträge an anerkannte Vorsorgeformen (BVV 3; SR 831.461.3) Rechnung getragen. Für Arbeitnehmer, welche grundsätzlich einer Vorsorgeeinrichtung angehören müssen (vgl. dazu oben E. 2.5.1) und die damit verbundenen Steuererleichterungen geltend machen können (vgl. Art. 81 Abs. 2 BVG), bildet die Säule 3a nur eine Ergänzung. Aus Gründen der Gleichbehandlung und um Überversicherungen zu vermeiden, ist es ausgeschlossen, sowohl in der zweiten wie auch in der Säule 3a über eine volle Versicherung unter ganzem Prämienabzug zu verfügen. Deshalb können Unselbständigerwerbende ihre allfälligen Beiträge an die Säule 3a nur in (bedeutend) geringerem Ausmass von ihrem steuerbaren Einkommen abziehen als das denjenigen Selbständigerwerbenden zugestanden wird, die bei keiner Einrichtung der obligatorischen Vorsorge versichert sind und für welche die Säule 3a keine Ergänzung, sondern den Ersatz der zweiten Säule darstellt (vgl. zum Ganzen Pra 2000 Nr. 113 S. 663 E. 4a mit Hinweisen; siehe auch ASA 60 321 E. 2).
2.5.3 Der besonderen Vorsorgesituation von Selbständigerwerbenden wird mit der ihnen gewährten Möglichkeit, sich ausschliesslich bei der Säule 2b zu versichern und daneben auch noch einen (bedeutend) höheren Abzug bei der Säule 3a geltend zu machen, genügend Rechnung getragen. Es rechtfertigt sich nicht, ihnen darüber hinaus - und entgegen den für Arbeitnehmern gültigen Beschränkungen (vgl. oben E. 2.5.1) - zuzugestehen, selbst nach dem gesetzlichen bzw. reglementarischen Rücktrittsalter noch ein neues Vorsorgeverhältnis der Säule 2b begründen zu können.
2.5.4 Vor dem Gleichbehandlungsgebot hält es auch stand, dass ein Selbständigerwerbender noch kurz vor Erreichen des gesetzlichen bzw. reglementarischen Rücktrittsalters erstmals ein ausschliessliches Vorsorgeverhältnis der Säule 2b begründen kann (mit den entsprechenden steuerlichen Begünstigungen), nach diesem Alter aber selbst bei weiter bestehender Erwerbstätigkeit nicht mehr. Darin liegt kein Verstoss gegen <ref-law>, da die beiden Situationen sich rechtserheblich unterscheiden, wie das auch in Gesetz und Reglement festgehalten wird.
2.6 Entgegen der Auffassung der Vorinstanz kann sich der Beschwerdegegner schliesslich nicht auf den seit dem 1. Januar 2008 neu gefassten Art. 7 Abs. 3 BVV 3 stützen, wonach Beiträge an anerkannte Vorsorgeformen längstens bis fünf Jahre nach Erreichen des ordentlichen Rentenalters geleistet werden können. Aus dieser Bestimmung liesse sich indessen selbst dann nichts zu Gunsten des Beschwerdegegners ableiten, wenn sie auf die hier massgebliche Steuerperiode schon anwendbar wäre. Denn bei der gebundenen Selbstvorsorge besteht keine Versicherungspflicht während der normalen Aktivitätsdauer. Es kann im Bereich der Säule 3a somit zulässig sein, einen Vorsorgevertrag (oder sogar mehrere solche Verträge) erst nach Erreichen des Rentenalters neu abzuschliessen, sofern noch ein Erwerbseinkommen erzielt wird (vgl. das Kreisschreiben Nr. 18 der Eidgenössischen Steuerverwaltung vom 17. Juli 2008 über die steuerliche Behandlung von Vorsorgebeiträgen und -leistungen der Säule 3a). Aus dieser für die Säule 3a neu geschaffenen Möglichkeit ist deshalb nicht zu schliessen, eine ähnliche Flexibilität bestehe im Rahmen der zweiten Säule. Vielmehr drängt sich ein Umkehrschluss auf: Aufgrund der genannten Erleichterung bei der gebundenen Selbstvorsorge erübrigen sich vergleichbare Begünstigungen für erwerbstätige AHV-Rentner bei der beruflichen Vorsorge.
2.7 Können die im Jahr 2005 geleisteten Beiträge aus den genannten, über den konkreten Einzelfall hinausgehenden Gründen nicht vom steuerbaren Einkommen der Beschwerdegegner abgezogen werden, so ist nicht mehr zu prüfen, ob die hier konkret gewählte Vorgehensweise (insbesondere der Anschluss an die Säule 2b erst im 68. Altersjahr, drei Jahre nach der Auszahlung des Vorsorgekapitals 3a) je nachdem als sachwidrig eingestuft und die Abzugsfähigkeit schon bzw. auch deswegen abgelehnt werden müsste.
3. Nach dem Gesagten sind die Beschwerden gutzuheissen, die angefochtenen Urteile aufzuheben und die Entscheide der kantonalen Steuerrekurskommission zu bestätigen, mit den entsprechenden Kosten- und Entschädigungsfolgen auf Ebene der kantonalen Instanzen und des Bundesgerichts (vgl. dazu Art. 65 f. u. <ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Verfahren 2C_189/2010 und 2C_190/2010 werden vereinigt.
2. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten betreffend die direkte Bundessteuer 2005 wird gutgeheissen, das Urteil des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 18. November 2009 aufgehoben und der Entscheid der Steuerrekurskommission I des Kantons Zürich vom 28. Januar 2009 bestätigt.
3. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten betreffend die Staats- und Gemeindesteuern 2005 wird gutgeheissen, das Urteil des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 18. November 2009 aufgehoben und der Entscheid der Steuerrekurskommission I des Kantons Zürich vom 28. Januar 2009 bestätigt.
4. Die Sache wird zur Regelung der Kosten- und Entschädigungsfolgen des kantonalen Verfahrens an das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich zurückgewiesen.
5. Die Gerichtskosten von Fr. 2'500.-- werden den Beschwerdegegnern unter Solidarhaft auferlegt.
6. Dieses Urteil wird dem Kantonalen Steueramt Zürich, den Beschwerdegegnern, der Steuerrekurskommission I und dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 2. Kammer sowie der Eidgenössischen Steuerverwaltung schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. Februar 2011
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Zünd Matter