Faits: A. La société Garage et carrosserie Z._ Sàrl (ci-après: Z._ Sàrl), de siège à Genève, exploite un garage à Genève. Un contrat de bail a été signé entre la société Z._ Sàrl et F.A._ et H.A._, alors propriétaires de l'immeuble, pour une durée fixe de dix ans, du 1er septembre 1998 au 31 août 2008. Le loyer annuel a été arrêté à 180'000 fr., charges comprises, ou 15'000 fr. par mois. Les locaux loués comprennent une vitrine pour la vente des véhicules, un atelier mécanique, un atelier de carrosserie, un tunnel de lavage, des locaux administratifs et des parkings intérieurs et extérieurs; ils représentent une surface d'environ 3'000 m2. En cours de bail, l'immeuble abritant le garage a été vendu à X._ et Y._. Le contrat de vente contenait une disposition (art. 4) qui mentionnait que les locaux étaient remis à bail à Z._ Sàrl pour la période du 1er septembre 1998 au "31 octobre 2008 (sic)". Deux procédures judiciaires ont opposé les nouveaux propriétaires et la locataire, alors que les intéressés étaient toujours liés par le bail. Le premier litige concernait des emplacements de parkings et le second se rapportait à des défauts de la chose louée. Le 13 février 2008, les bailleurs, par l'intermédiaire de la régie qui les représentait, ont rappelé à la locataire l'échéance du bail, fixée au 31 août 2008. B. B.a Le 7 mars 2008, la locataire a contesté la résiliation devant la Commission de conciliation en matière de baux et loyers compétente, considérant que le congé était nul pour ne pas avoir été signifié au moyen de la formule officielle; subsidiairement, elle requérait l'annulation du congé au motif qu'il était intervenu moins de trois ans après un litige ayant opposé les parties. Par décision du 9 septembre 2008, la Commission de conciliation s'est déclarée incompétente à raison de la matière, relevant que les bailleurs n'avaient pas eu l'intention de notifier un congé à la locataire, le bail étant de durée déterminée; pour le surplus, elle a déclaré la cause non conciliée. Le 1er octobre 2008, la locataire a porté l'affaire devant le Tribunal des baux et loyers du canton de Genève. B.b Le 25 juin 2008, la locataire a également saisi la Commission de conciliation d'une requête en prolongation du bail de six ans, tout en reprenant ses conclusions en nullité, subsidiairement en annulation du congé. Par décision du 27 novembre 2008, ces dernières conclusions ont été déclarées irrecevables, pour cause de litispendance; quant à la demande de prolongation, elle a été accueillie favorablement, une unique prolongation de bail au 31 août 2011 ayant été accordée à la locataire. Les 13 et 14 janvier 2009, le litige a été porté devant le Tribunal des baux et loyers du canton de Genève. Par jugement du 5 novembre 2009, ce tribunal a retenu que les parties étaient liées par un contrat de durée déterminée, qui prenait effet le 1er septembre 1998 pour se terminer le 31 août 2008 et a débouté la locataire de ses conclusions en nullité et en annulation; une unique prolongation du bail au 31 décembre 2010 a été accordée à la locataire. B.c Les bailleurs et la locataire ont saisi la Cour de justice du canton de Genève d'un appel. Les premiers s'opposaient à toute prolongation du bail en faveur de la locataire. Quant à celle-ci, elle plaidait l'existence d'un contrat de durée indéterminée et la nullité du congé, non communiqué sur formule officielle; à titre subsidiaire, elle demandait l'annulation du congé pour le même motif qu'évoqué jusqu'ici, à savoir la résiliation du contrat dans le délai de trois ans de l'art. 271a al. 1 let. e CO; plus subsidiairement, elle requérait l'octroi d'une prolongation de bail de six ans. Par arrêt du 6 septembre 2010, la Chambre d'appel en matière de baux et loyers du canton de Genève a confirmé le jugement entrepris, à l'exception du chiffre 3 du dispositif, qui a été annulé. A l'instar des premiers juges, les magistrats d'appel ont considéré que la volonté réelle et concordante des parties était de conclure un bail de durée fixe de dix ans. Après s'être livrée à une pesée des intérêts en présence, la Chambre d'appel a accordé à la locataire une unique prolongation du bail au 31 décembre 2011, en lieu et place de la prolongation au 31 décembre 2010 (chiffre 3 du dispositif annulé). C. Les bailleurs (recourants) exercent un recours de droit civil au Tribunal fédéral. Se plaignant d'une violation de l'art. 272 CO à un double titre, ils concluent à l'annulation de l'arrêt entrepris et à un prononcé de refus de toute prolongation du bail; pour le surplus, ils requièrent la confirmation de l'arrêt entrepris, sous suite de dépens. La locataire (intimée) propose le rejet du recours.