Faits: A. En raison d'un problème de prostate, Z._ a consulté la Permanence de Y._ (aujourd'hui: Centre Médico-Chirurgical Y._ SA; ci-après: la permanence); le médecin généraliste employé de la permanence, le Dr B._, l'a adressé à un urologue, le Dr A._, alors consultant externe de la permanence. En juin 1993, lors du premier examen médical, l'urologue a constaté une grosse prostate asymétrique, de la taille d'un abricot ou d'une mandarine, qu'il a qualifiée de "ferme, suspecte, indolore" au niveau du lobe droit et "douloureuse" au niveau du lobe gauche. Le médecin a prescrit un traitement médicamenteux. La situation ne s'étant pas améliorée, le Dr A._ a observé, le 16 novembre 1993, que le patient présentait une grosse prostate en forme d'abricot "dure, sensible, suspecte de malignité". Une biopsie a été pratiquée par ce médecin à la Clinique M._ le 29 novembre 1993. L'examen histologique n'a révélé aucun signe de malignité. A la suite de douleurs éprouvées durant les fêtes de fin d'année 1993, Z._ a subi, à l'Hôpital C._ (ci-après: C._), l'ablation de la vésicule biliaire. L'un des rapports établis à la suite de cette hospitalisation indiquait que le patient était dans un "excellent état général pour l'âge". Le 29 novembre 1994, le Dr A._ a constaté à nouveau une prostate en forme d'abricot, ferme et présentant deux nodules. Deux prises de sang effectuées à la permanence les 7 et 12 décembre 1994 ont révélé un taux de PSA (Prostata Specific Antigen, qui est un marqueur tumoral de la prostate) de nature à faire suspecter un cancer. Le Dr A._ a noté dans le dossier médical qu'il faudrait demander l'hospitalisation du patient après les fêtes. Le 21 avril 1995, le Dr D._ a procédé, en milieu hospitalier, à une résection de la prostate. Le rapport établi à la suite de cette intervention ne révélait aucune trace de cancer. Le Dr A._ s'est occupé du suivi postopératoire de Z._ jusqu'au 13 juin 1995. Il a été décidé de reprendre contact au début septembre 1995. Le dossier médical de la permanence indique qu'il y a eu ensuite quatre consultations auprès du Dr A._ entre le 5 septembre et le 17 octobre 1995, ainsi que deux ponctions veineuses, pratiquées par une infirmière, les 11 septembre et 13 octobre 1995. Le 5 septembre 1995, ce médecin a relevé sur la fiche "une fatigue, une inappétence, ainsi qu'une faiblesse dans les jambes et dans les bras"; il a noté également le taux de PSA. Le 19 septembre 1995, il a inscrit que la prostate était "suspecte de malignité". Le 10 octobre 1995, il a écrit que la prostate était "nettement suspecte de malignité". Il a alors décidé d'adresser le patient au Dr E._, urologue à l'Hôpital C._. Le 17 octobre 1995, le Dr A._ a indiqué le nouveau taux PSA et mentionné que des discussions ont eu lieu. Le médecin a affirmé qu'il a pris contact téléphoniquement avec le Dr E._ pour lui adresser Z._ à des fins d'examen en milieu hospitalier. Dans la présente procédure, il est contesté que le Dr A._ ait adressé le patient au Dr E._, comme cela ressort du dossier médical. Interrogé plus de quatorze ans après les faits, le Dr E._ a déclaré n'avoir aucun souvenir d'un contact téléphonique avec le Dr A._ en date du 17 octobre 1995. En tout cas, le patient n'a jamais demandé de rendez-vous au Dr E._. Il n'a pas davantage demandé à revoir le Dr A._ dans les trois ans qui ont suivi. Ce n'est que le 25 février 1999 que Z._ a consulté à nouveau le Dr B._, en se plaignant de douleurs dorsales et thoraciques, ainsi que de difficultés respiratoires. Le Dr B._ a envisagé différents diagnostics; à la suite d'un scanner thoracique effectué le 9 mars 1999, il a conclu à un cancer prostatique avec métastases multiples. Le patient a commencé à exprimer un sentiment de révolte à l'égard du diagnostic du Dr B._ et de la manière dont il avait été traité par le Dr A._. En reprenant en charge le cas, l'Hôpital C._ a décidé, en mars 1999, de procéder à une castration médicamenteuse. Le 3 octobre 2003, le rapport du service d'oncologie de l'Hôpital C._ a relevé que le patient se trouvait dans un "bon état général", mais qu'à la suite de discussions au sujet d'une éventuelle chimiothérapie, ce dernier avait refusé la prise de corticoïdes; le rapport mentionnait que le patient avait été hospitalisé le 22 mai 2003 pour des douleurs thoraciques "associées à un état anxiodépressif et un délire de persécution" et qu'il avait refusé un suivi ambulatoire à la sortie de l'hôpital. Z._ est décédé le 9 avril 2004, à l'âge de 79 ans. B. Par demande du 1er octobre 2008 adressée au Tribunal de première instance de Genève, X._, fils de Z._, a ouvert action contre le Dr A._ et la permanence, concluant à ce que ces derniers soient condamnés à lui payer, avec intérêts, une indemnité de 30'000 fr. pour le tort moral subi par son père et une indemnité de 20'000 fr. pour le tort moral subi par lui-même. Les défendeurs ont conclu à leur libération. Par jugement du 16 décembre 2010, communiqué aux parties le 21 décembre 2010, le Tribunal de première instance a débouté X._ des fins de sa demande. Statuant sur appel par arrêt du 21 octobre 2011, la Chambre civile de la Cour de justice du canton de Genève a confirmé le jugement attaqué. C. X._ exerce un recours en matière civile au Tribunal fédéral. Invoquant l'arbitraire (art. 9 Cst.) dans l'appréciation des preuves ainsi qu'une violation des art. 398 al. 2 CO et 101 CO, il conclut à l'annulation de l'arrêt attaqué et au renvoi de la cause à la cour cantonale; subsidiairement, il reprend ses conclusions sur le fond réclamant au total 50'000 fr. d'indemnité pour tort moral en capital. Chacun des intimés propose le rejet du recours. Les parties ont répliqué et dupliqué.