Faits: A. B._ travaillait comme conducteur de machines au service de l'entreprise X._ & Cie SA. A titre accessoire, il exerçait une activité de nettoyeur pour le compte de la société Y._ SA. Il est marié avec deux enfants. Le 8 septembre 2000, alors qu'il se trouvait sur une pelleteuse à une hauteur de 1,6 mètres du sol pour en nettoyer les vitres, le prénommé a glissé et est tombé en se réceptionnant sur les pieds; dans sa chute, il a heurté sa tête (côté gauche) contre un poteau métallique et s'est cassé les lunettes. Il s'est plaint de maux de tête, d'une vision altérée ainsi que de cervicalgies, mais a continué à travailler. Quelque temps plus tard, il a ressenti des douleurs lombaires avec irradiation dans les jambes qui ont donné lieu à un traitement médical. Un cliché radiologique (du 29 novembre 2000) a révélé une légère ostéochondrose au niveau L5-S1 avec une petite hernie susceptible de causer une irritation de la racine S1, une protrusion minime en L4-L5 ainsi que des spondylarthroses lombaires légères. A partir de janvier 2001, B._ a présenté des périodes d'incapacité de travail variables; dès le 14 janvier 2002, il n'a plus travaillé. Le 12 septembre 2002, il a subi un nouvel accident : une chute dans les escaliers. Il est sous traitement psychiatrique depuis l'été 2003. Après avoir dans un premier temps refusé d'intervenir, la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (CNA) - auprès de laquelle l'intéressé était assuré - a pris en charge le cas. Au vu de l'évolution défavorable de la situation (apparition progressive de troubles cognitifs), la CNA a ordonné plusieurs expertises médicales : ophtalmologique (rapport du 22 décembre 2003 des docteurs F._ et O._, de l'Hôpital Z._), psychiatrique (rapport du 20 avril 2004 des docteurs L._ et M._, de l'Hôpital Z._), orthopédique (rapport du 17 février 2005 du docteur R._, de l'Hôpital Z._) et, enfin, neurologique (rapport du 27 février 2006 du docteur B._). Sur la base de ces expertises, l'assureur-accidents a supprimé ses prestations au 31 août 2006, motif pris qu'il ne subsistait plus de séquelles en relation avec l'accident du 8 septembre 2000 (décision du 15 août 2006, confirmée sur opposition le 5 janvier 2007). Par jugement du 27 août 2008, le Tribunal administratif du canton de Berne a rejeté le recours formé par l'assuré contre la décision sur opposition de la CNA (cause 200.2007. 6278.LAA). Entre-temps, le 26 juin 2002, B._ a présenté une demande de prestations à l'assurance-invalidité. Après avoir recueilli divers documents médicaux dont notamment le dossier CNA, l'Office AI du canton de Berne (ci-après : l'office AI) a organisé un stage d'observation professionnelle qui a été rapidement interrompu par l'assuré. Une expertise pluridisciplinaire a été confiée au Centre W._. Dans leur rapport du 27 juin 2007, les médecins de W._ ont posé les diagnostics de dégénérescence des disques intervertébraux au niveau L5-S1 sans compression radiculaire [M51.3], de syndrome d'impingement des deux hanches vraisemblablement congénitale [Q65.9] et de simulation [Z76.5]; ils sont arrivés à la conclusion que depuis janvier 2002, il aurait été exigible de l'assuré qu'il exerce à 100 % une activité adaptée et légère n'exigeant pas une position fixe ou courbée. Le 3 août 2007, l'office AI a informé B._ qu'il entendait rejeter sa demande de prestations attendu qu'il présentait un degré d'invalidité de 38 %, soit un taux inférieur au seuil donnant droit à une rente d'invalidité. Par décision du 5 octobre 2007, il a maintenu cette prise de position. Parallèlement, Helsana Assurances SA, en sa qualité d'assureur perte de gain en cas de maladie, a versé des indemnités journalières. A la demande de cet assureur, le degré de capacité de travail de B._ a fait l'objet de deux expertises (rapports du Centre V._ et de l'Institut U._, établis respectivement les 3 et 15 avril 2007). Par décision du 30 avril 2007, confirmée sur opposition le 9 août 2007, Helsana Assurances SA a mis un terme au versement de ses prestations. L'assuré a déféré la décision sur opposition au Tribunal administratif du canton de Berne, qui a partiellement admis son recours (jugement du 27 août 2008; cause 200. 2007.6362.CM). B. Saisi d'un recours de B._ contre la décision de l'office AI (du 5 octobre 2007), le Tribunal administratif du canton de Berne, après avoir ordonné l'apport des procédures en matière d'accidents et de maladie, l'a rejeté par jugement du 27 août 2008. C. Le prénommé interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il requiert l'annulation. Il conclut à l'allocation d'une rente d'invalidité entière, "éventuellement du 13 janvier 2001 au 5 octobre 2007"; à titre subsidiaire, au renvoi de la cause à l'office AI pour investigations complémentaires et nouvelle décision. L'office AI conclut au rejet du recours. De son côté, l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.