Faits : A. A.a. Par contrat du 6 février 1995, H.Z._ et F.Z._ ont pris à bail un appartement de quatre pièces, destiné à l'usage d'habitation, dans un immeuble situé à Carouge. Le contrat était conclu pour une durée d'une année, du 1 er mars 1995 au 28 février 1996, renouvelable ensuite tacitement d'année en année, sauf préavis de résiliation de trois mois avant l'échéance. Depuis le 1 er avril 2011, le loyer est de 942 fr. par mois. Lors du divorce des locataires en juin 1996, l'appartement a été attribué à la seule ex-épouse. A.b. X._ est devenu propriétaire de l'immeuble en 2006 et a succédé au précédent bailleur. En 2008, il a proposé une modification du bail: depuis lors, celui-ci a été renouvelé pour une durée de cinq ans jusqu'au 31 mars 2014, puis se renouvelle ainsi de suite de cinq ans en cinq ans, sauf résiliation trois mois avant son échéance; le loyer qui est demeuré identique a toutefois été déclaré indexable annuellement à l'indice suisse des prix à la consommation. B. B.a. Le 29 novembre 2013, le bailleur a communiqué aux locataires, sur formules officielles et par plis recommandés, la résiliation ordinaire de leur bail pour le 31 mars 2014. Dans une lettre d'accompagnement, la représentante du bailleur a proposé une entrevue aux locataires, s'ils le souhaitaient. Les plis recommandés n'ayant pas pu être remis en mains propres aux locataires, l'agent postal a déposé dans la boîte aux lettres une invitation à retirer les envois durant le délai de garde du 2 au 9 décembre 2013. Il a été retenu en procédure que la locataire s'est absentée durant dix jours vers la fin novembre 2013 et qu'elle n'a trouvé l'avis de retrait du pli recommandé que le lundi 9 décembre 2013, à une heure trop tardive pour se rendre à la poste. Les plis recommandés n'ayant pas été retirés, ils ont été retournés au bailleur le 10 décembre à 15h27. Le 23 janvier 2014, la régie a renvoyé aux locataires, sous pli simple, la résiliation du 29 novembre 2013, leur rappelant qu'un pli recommandé non retiré était légalement considéré comme reçu le dernier jour du délai de garde postal et déployait par conséquent tous ses effets. B.b. Le 7 février 2014, par requête de conciliation adressée à la Commission de conciliation en matière de baux et loyers du canton de Genève, les locataires ont ouvert une action en contestation du congé. Par courrier du même jour adressé au bailleur, ils ont demandé que le congé soit motivé. En cours de procédure, le bailleur a indiqué qu'il avait résilié le bail pour des raisons économiques, car il souhaitait relouer l'appartement à un prix plus élevé correspondant aux loyers usuels du quartier. Après échec de la tentative de conciliation, les locataires ont déposé leur demande devant le Tribunal des baux du canton de Genève le 18 août 2014, concluant principalement à la nullité du congé, respectivement à son annulation, et subsidiairement à une prolongation du bail de quatre ans, à une adaptation de leur loyer pour toute la période de prolongation du bail en raison de la baisse du taux hypothécaire et à ce qu'ils soient autorisés à restituer les locaux en tout temps avec un préavis de quinze jours pendant toute la période de prolongation. Le Tribunal des baux a déclaré la requête irrecevable, par jugement du 17 août 2015. Il a considéré que la résiliation était intervenue le lendemain du jour où l'avis de retrait de la poste avait été déposé dans la boîte aux lettres des locataires, soit le 3 décembre 2013, de sorte que l'action en contestation du congé déposée le 7 février 2014 était tardive. Statuant sur appel des locataires par arrêt du 4 avril 2016, la Chambre des baux et loyers de la Cour de justice du canton de Genève a réformé ledit jugement, déclaré la requête des locataires recevable et renvoyé la cause au Tribunal des baux et loyers pour suite d'instruction et décision sur le fond. Elle a retenu en fait que la locataire s'était absentée durant dix jours et qu'elle n'a trouvé l'avis de retrait du pli recommandé que le lundi 9 décembre 2013, à une heure trop tardive pour se rendre à la poste. Elle a estimé que la locataire ne devait pas s'attendre à recevoir une communication du bailleur. Si des discussions avaient eu lieu avec celui-ci dans le courant de l'année, elles concernaient une éventuelle réduction du loyer en raison des nuisances causées par des travaux importants entrepris par celui-ci. Le seul fait que le bail venait à échéance à fin mars et qu'une résiliation pouvait intervenir trois mois à l'avance, ne suffisait pas pour retenir que la locataire devait s'attendre à recevoir un pli recommandé du bailleur, alors qu'elle occupait les lieux depuis près de 20 ans. La cour cantonale a aussi considéré que l'on ne pouvait pas reprocher à la locataire de ne pas s'être rendue à la poste le lendemain pour tenter de connaître l'expéditeur du pli recommandé, le délai de garde étant échu. La cour s'est en revanche étonnée du fait que la régie, qui savait que le pli n'avait pas atteint ses destinataires et connaissait les conséquences importantes qui en découlaient pour eux, ait attendu près de deux mois pour réadresser l'envoi sous pli simple. Elle a donc considéré que la réalisation était intervenue non pas le 3 décembre 2013, mais le 24 janvier 2014, date de la réception du pli simple. C. Contre cet arrêt, le bailleur a interjeté un recours en matière civile au Tribunal fédéral le 9 mai 2016, concluant à son annulation, à la " confirmation du jugement du Tribunal des baux " et à ce que les locataires soient déboutés de toutes autres conclusions. Il invoque la violation de l'art. 273 CO en relation avec l'art. 77 CO. Les locataires ont conclu au rejet du recours. Ils soutiennent que le congé ne leur a été notifié que le 24 janvier 2014 et, subsidiairement, que le congé notifié pour des motifs économiques est nul, de sorte que leur requête serait recevable. La locataire intimée a sollicité l'assistance judiciaire. Le bailleur a encore déposé des observations.