Faits:
A. Par décision du 24 septembre 2004, l'Office cantonal de l'assurance-invalidité du canton de Genève (l'office AI) a alloué une rente entière d'invalidité à D._ à partir du 1er août 2003, fondée sur un degré d'invalidité de 93 %. L'évaluation de l'invalidité, effectuée selon la méthode mixte, tenait compte d'une incapacité totale de travail dans un emploi d'assistante en pharmacie, exercé à 90 %; l'office AI disposait notamment des avis docteurs G._, médecin traitant (rapport du 10 juin 2004), et C._, médecin au Service X._ (rapport du 12 juillet 2004). Pour les tâches ménagères, auxquelles 10 % du temps était consacré, l'empêchement s'élevait à 30 %.
Dans le cadre de la révision du droit à la rente, initiée en septembre 2005, l'office AI a confié un mandat d'expertise au professeur E._, rhumatologue à la Clinique Y._. A l'examen des conclusions de l'expert E._ (rapport du 20 septembre 2006), le docteur H._, médecin au Service X._, a estimé que la capacité de travail de l'assurée avait toujours été de 80 %, hormis une période périopératoire en 2003 (note du 30 octobre 2006). Lors d'une enquête économique sur le ménage, l'assurée a déclaré qu'elle occuperait une activité lucrative à 50 % sans atteinte à la santé; quant aux empêchements dans le ménage, ils ont été chiffrés à 14,2 % (enquête du 19 mars 2007). L'office AI a fait savoir à l'assurée qu'il envisageait de supprimer la rente, dès lors que le taux d'invalidité s'élevait à 7 % (projet de décision du 29 mars 2007). Exerçant son droit d'être entendue, l'assurée a allégué que son état de santé s'était dégradé; elle a produit des attestations médicales du docteur G._ et de la clinique Z._, et annoncé une consultation auprès du docteur R._ en vue d'une intervention. Par décision du 24 janvier 2008, conforme à son projet, l'office AI a supprimé la rente.
B. D._ a déféré cette décision au Tribunal des assurances sociales du canton de Genève (aujourd'hui : Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre des assurances sociales) en concluant au maintien de sa rente.
Par jugement du 11 novembre 2008, la juridiction cantonale a admis le recours et annulé la décision du 24 janvier 2008. Saisi d'un recours de l'office AI, le Tribunal fédéral a annulé ce jugement, par arrêt du 28 septembre 2009 (9C_9/2009) et renvoyé la cause aux premiers juges.
Dans un nouveau jugement du 11 mai 2010, la Chambre des assurances sociales a annulé la décision du 24 janvier 2008 au sens des considérants, admis partiellement le recours et reconnu le droit de l'assurée à une demi-rente d'invalidité à partir du 1er juin 2007, sur la base d'un degré d'invalidité de 57 % (ch. 2 à 4 du dispositif). Par ailleurs, elle a "renvoyé" la cause à l'office AI afin qu'il examine la question du droit à la rente à partir de la fin de l'année 2008 et rende une nouvelle décision (ch. 5 du dispositif).
C. L'office AI interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il demande l'annulation, en concluant à la confirmation de sa décision du 24 janvier 2008.
L'intimée conclut au rejet du recours avec suite de frais et dépens; elle sollicite par ailleurs le bénéfice de l'assistance judiciaire. L'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.
Par ordonnance du 10 septembre 2010, le Juge instructeur a admis la requête d'effet suspensif au recours présentée par l'office recourant.

Considérant en droit:
1. L'office AI conteste le bien-fondé du ch. 5 du dispositif du jugement attaqué, à teneur duquel la cause lui est renvoyée afin qu'il examine si l'état de santé de l'intimée a subi une modification à compter de la fin de l'année 2008, laquelle exigerait, dans le cadre d'une nouvelle procédure de révision, un nouveau calcul du degré de l'invalidité.
Le jugement cantonal, qui ne fait d'ailleurs que transmettre le dossier, et non le renvoyer, ne contient toutefois aucune instruction contraignante, à l'égard de l'office AI, qui serait susceptible de lui causer un dommage irréparable. En effet, le recourant conserve toute latitude pour instruire et rendre la décision qui s'imposera. Sur ce point, ses conclusions sont donc irrecevables (<ref-law>).
2. A la suite de l'arrêt de renvoi du 28 septembre 2009, la juridiction cantonale a considéré que la procédure de révision de la rente, ouverte en septembre 2005, n'avait mis en évidence aucune modification notable de l'état de santé de l'intimée. Son appréciation repose sur l'avis du docteur G._, qui attestait que l'état de santé de sa patiente était stationnaire et que son incapacité de travail restait entière, ainsi que sur le rapport de l'expert E._ qui avait évalué l'incapacité de travail de l'assurée de 30 à 40 %, et à 20 % dans le cadre d'une activité adaptée à ses limitations fonctionnelles. Selon le tribunal cantonal, le docteur E._ a procédé à une nouvelle appréciation (sous-entendu : de la situation médicale), ce qui ne permet pas d'admettre que les conditions d'une révision, au sens de l'<ref-law>, seraient réalisées.
En revanche, les premiers juges ont admis que la situation familiale de l'intimée avait évolué depuis l'octroi de la rente. Se fondant sur l'enquête à domicile du 19 mars 2007, ils ont estimé que l'intéressée consacrerait désormais 50 % de son temps à l'exercice d'une activité lucrative (où l'incapacité de travail était totale), et 50 % à la tenue de son ménage (dans laquelle le degré d'empêchement était de 14 %). Dès lors que le taux d'invalidité global s'élevait à 57 %, le tribunal cantonal a reconnu à l'intimée le droit à une demi-rente d'invalidité à compter du 1er juin 2007.
3. Le recourant n'aborde pas la question de la reconsidération de la décision initiale de rente, aux conditions de l'<ref-law>, qui avait été laissée ouverte au consid. 5 de l'arrêt du 28 septembre 2009.
Par ailleurs, la nouvelle répartition des activités de l'intimée, savoir 50 % pour l'activité lucrative et 50 % pour les tâches ménagères, que les premiers juges ont pris en compte dans le cadre de l'évaluation de l'invalidité selon la méthode mixte, n'est pas contestée par les parties. Il en va de même de l'empêchement retenu pour les tâches ménagères (14 %).
Comme ces divers points ne sont pas contestés et qu'il n'est de surcroît pas exposé en quoi ils auraient été établis de façon manifestement inexacte, le Tribunal fédéral ne reviendra pas sur ceux-ci.
4. L'office recourant reproche aux premiers juges de n'avoir pas constaté (le cas échéant de n'avoir pas tenu compte du fait) que l'incapacité totale de travail, prétendument causée à l'origine par la grossesse de l'intimée en 2004, aurait évolué lors de la révision de la rente. Selon le recourant, la comparaison de la situation qui prévalait lors de la décision initiale d'octroi de la rente (24 septembre 2004) avec celle qui existait au moment de la décision de suppression de cette prestation (24 janvier 2008) aurait dû conduire la juridiction cantonale à admettre l'existence d'un motif de révision au sens de l'<ref-law>.
Le docteur G._ avait attesté que sa patiente était enceinte et que cet état aggravait le problème lombaire (rapport du 10 juin 2004). De son côté, le docteur C._ avait également relevé que ce facteur pouvait avoir aggravé la situation en engendrant une incapacité de travail de 100 % dès janvier 2004, alors que ce taux oscillait auparavant entre 50 et 100 %; il préconisait dès lors un réexamen de la situation quatre mois après l'accouchement (rapport du 12 juillet 2004), lequel était prévu pour le mois d'octobre (lettre de l'intimée du 19 juillet 2004). Dans le cadre la procédure de révision de la rente (<ref-law>), le docteur E._ a arrêté l'incapacité de travail de l'assurée à 20 % dans une activité adaptée à ses limitations fonctionnelles (rapport du 20 septembre 2006), tandis que son confrère G._ a constamment attesté une incapacité totale (rapport du 25 avril 2007). La question d'une modification de la capacité de travail de l'intimée, eu égard à la grossesse de l'année 2004, a certes été brièvement discutée par l'expert E._ (rapport, p. 8 en haut). Toutefois, il ne ressort pas de cet avis médical que l'état de santé de l'intimée aurait notablement évolué depuis l'octroi initial de la rente, au point de justifier la révision du droit à la rente. Or, sur cette question, il incombait à l'office recourant, maître de l'instruction de la procédure (cf. <ref-law>), de recueillir les avis médicaux idoines afin de démontrer l'existence d'une telle modification, ou à tout le moins de la rendre suffisamment vraisemblable; il n'y est cependant pas parvenu.
Quant au rapport du docteur E._, il constitue une appréciation différente d'un état de fait resté inchangé, laquelle ne permet pas la révision.
5. Le recourant, qui succombe, supportera les frais judiciaires (<ref-law>) et les dépens (<ref-law>). Vu le sort de la cause, la demande d'assistance judiciaire n'a plus d'objet.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Dans la mesure où il est recevable, le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 500 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le recourant versera à l'intimée la somme de 2'800 fr. (y compris la TVA) à titre de dépens pour la procédure fédérale.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties, à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre des assurances sociales, et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 23 septembre 2011
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Meyer
Le Greffier: Berthoud