Faits: A. A._, agriculteur, est propriétaire des parcelles nos 14'033 et 14'034 de la commune de Meyrin. La parcelle 14'033 comprend une maison de deux étages en location, qui abrite depuis plusieurs années une carrosserie au rez-de-chaussée et un appartement au 1er étage, occupé par le carrossier. Jusqu'en septembre 2007, se trouvait également sur cette parcelle une station-service exploitée par X._ SA. La parcelle 14'034 est utilisée à des fins exclusivement agricoles. B. Par décision du 17 août 2006, l'Office fédéral des transports (OFT) a approuvé les plans du deuxième tronçon de la ligne de tramway Cornavin-Meyrin-CERN (TCMC) entre Les Avanchets et le CERN. Par même décision, il a accordé aux Transports publics genevois (TPG) le droit d'exproprier A._ conformément aux plans d'emprise et au tableau des droits à exproprier, soit de la manière suivante: - parcelle 14'033 (1'456 m2) : emprise provisoire de 140 m2 (stockage des matériaux de construction) et emprise définitive de 905 m2 avec démolition de la station-service sise sur la parcelle; - parcelle 14'034 (2'978 m2) : 2'305 m2 d'emprise provisoire (stockage des matériaux de construction) et 675 m2 d'emprise définitive. Par décision du 16 novembre 2007, la Commission fédérale d'estimation du 1er arrondissement (CFE) a autorisé les TPG à exercer leur droit d'expropriation (provisoire et définitif) de manière anticipée, tout en réservant les droits de A._ relatifs au paiement d'une indemnité pour expropriation matérielle d'une partie de ses parcelles ainsi que pour le dommage résultant des emprises provisoires prévues. A ce titre, A._ a formulé les prétentions suivantes: - indemnité annuelle de 2'305 fr. en réparation du dommage causé par l'emprise provisoire exercée sur la parcelle 14'034 (2'305 x 1 fr. le m2); - indemnité de 916'400 fr. en réparation du dommage causé par l'emprise définitive sur ses deux parcelles (1'580 x 580 fr. le m2); - indemnité de 1'350'000 fr. pour la valeur vénale de la station-service détruite et du magasin attenant; - indemnité de 754'560 fr. pour les pertes d'exploitation de la station-service; - indemnité de 50'000 fr. pour une annexe non cadastrée à la carrosserie sise sur la parcelle 14'033; - indemnité "additionnelle" de 1'000'000 fr. pour la dépréciation de la partie restante de la parcelle 14'033 et de ses installations, les pertes d'exploitation de la carrosserie et la réparation du dommage causé par l'emprise provisoire. C. Par décision du 19 mars 2010, se fondant notamment sur le rapport du 30 juin 2009 de l'expert qu'elle avait mandaté pour déterminer le montant de l'indemnité due, la CFE a condamné les TPG à payer à A._ les montants suivants: - 140 fr. par an à compter du 16 novembre 2007 pour l'emprise provisoire de 140 m2 sur la parcelle 14'033; - 2'305 fr. par an à compter du 16 novembre 2007 pour l'emprise provisoire de 2'305 m2 sur la parcelle 14'034; - 45'250 fr. en compensation de l'emprise définitive de 905 m2 sur la parcelle 14'033; - 33'750 fr. en compensation de l'emprise définitive de 675 m2 sur la parcelle 14'034; - 430'000 fr. pour la démolition de la station-service et du "shop"; - 50'000 fr. à titre de perte d'exploitation de l'atelier de carrosserie. La CFE a rejeté pour le surplus la demande de A._ tendant à la nomination d'un nouvel expert. Le 9 juillet 2012, statuant sur le recours formé par A._, le Tribunal administratif fédéral a confirmé la décision de la CFE. Il a en substance considéré que le refus d'ordonner une contre-expertise ne violait par le droit d'être entendu du recourant: l'expert avait répondu à toutes les questions posées et avait fait preuve de la diligence requise, les quelques imprécisions du rapport ne justifiant pas la nomination d'un nouvel expert. S'agissant du montant de l'indemnité, le Tribunal administratif fédéral a constaté que l'appréciation de la CFE ne violait pas les dispositions de la loi fédérale sur l'expropriation. D. A._ recourt par acte du 14 septembre 2012 auprès du Tribunal fédéral. Il conclut à l'annulation de l'arrêt du Tribunal administratif fédéral et au renvoi du dossier à la Commission fédérale d'estimation du 1er arrondissement, subsidiairement au Tribunal administratif fédéral, pour nouvelle instruction sur la base d'une nouvelle expertise. Subsidiairement, le recourant conclut à la condamnation des TPG au paiement de: - 1'350'000 fr. "valeur station-service", - 50'000 fr. "valeur atelier", - 916'400 fr. "au titre des terrains expropriés" (soit 580 fr. le m2), - 754'560 fr. "au titre de pertes d'exploitation liées à la station-service", - 2'305 fr. par an dès le commencement de l'emprise temporaire sur la parcelle 14'034, - 200'000 fr. "résultant des valeurs résiduelles pertes d'exploitation sur carrosserie et logement, y compris emprise temporaire sur la parcelle n° 14'033". E. La Commission fédérale d'estimation du 1er arrondissement et le Tribunal administratif fédéral renoncent à se déterminer et se réfèrent à leur décision respective. Les Transports publics genevois se déterminent et concluent au rejet du recours. Le recourant a encore déposé des observations sur ces déterminations. Il persiste dans ses conclusions.