Faits:
A. A._ est propriétaire de la parcelle 340, feuille 25, de la commune de Dardagny. Ce bien-fonds, d'une surface de 2'810 m2, est incluse dans le périmètre du plan de site du village de Dardagny du 16 septembre 1981. Deux bâtiments d'habitation y sont érigés, comportant chacun un logement.
Par requête du 3 juillet 2007, A._ a sollicité du Département cantonal des constructions et des technologies de l'information (ci-après: le département ou le DCTI) la délivrance d'une autorisation de construire, sur la parcelle précitée, une villa individuelle avec bassin d'agrément, comprenant un étage sur rez, un sous-sol avec jours naturels et des combles.
Dans le cadre de l'instruction de cette requête, ont notamment été recueillis le préavis de la commune de Dardagny du 6 mars 2008, favorable, et celui de la commission des monuments, de la nature et des sites (ci-après: la CMNS) du 13 mai 2008, négatif.
D'après la CMNS, le sous-sol était accessible de plain-pied depuis le jardin. Sa construction générale en baies vitrées en faisait un lieu habitable, ce qui était contraire au règlement du plan de site. La commission n'était pas opposée à la création d'un véritable sous-sol dont le niveau serait notablement en-dessous du niveau du sol. Le projet nécessitait l'octroi de dérogations; l'une pour la distance insuffisante entre la construction future et le bâtiment 527, l'autre pour l'indice d'utilisation du sol (ci-après: IUS), qui était supérieur à celui prévu par le plan de site. La CMNS pourrait entrer en matière sur ces dérogations si le projet donnait entière satisfaction en termes d'intégration et d'expression générale, ce qui n'était pas le cas en l'espèce. Elle demandait une modification du projet.
B. Considérant que l'instruction de sa requête prenait trop de temps, A._ a adressé, le 22 mai 2008, un long courrier recommandé au chef du département, dans lequel il faisait valoir de nombreux griefs en rapport avec la procédure d'autorisation. Il lui a envoyé un second courrier le 3 juin 2008. Il affirmait que sa lettre du 22 mai 2008 constituait un avis formel au sens de l'art. 4 al. 4 de la loi genevoise du 14 avril 1988 sur les constructions et les installations diverses (RS/GE L 5 05; ci-après: la LCI), qui permettait au requérant n'ayant pas obtenu une décision dans un délai de dix jours suivant cet avis de commencer les travaux. Il procédait ainsi à l'exécution de son projet.
Le 12 juin 2008, le département a contesté que le courrier du 22 mai 2008 constitue un avis formel. Par décision du 13 juin 2008, il a refusé l'autorisation sollicitée, au motif principal que le projet, qui prévoyait un IUS de 3.32, n'était pas conforme aux art. 34, 48 et 106 LCI ainsi qu'aux art. 13 et 14 du règlement du plan de site.
C. A._ a recouru auprès de la commission cantonale de recours en matière administrative (ci-après: la commission), remplacée depuis le 1er janvier 2011 par le Tribunal administratif de première instance (ci-après: le TAPI), contre le refus d'autorisation de construire du 13 juin 2008. B._ et C._ sont intervenus à cette procédure en leur qualité de propriétaires voisins de la parcelle de A._. Statuant sur partie le 8 mai 2009, la commission a rejeté les conclusions de l'intéressé tendant préalablement au prononcé de la nullité de plein droit de la décision de refus et, alternativement, à son annulation. Elle gardait au surplus la cause à juger sur les autres conclusions.
Par arrêt du 23 mai 2010, le Tribunal administratif du canton de Genève, devenu depuis le 1er janvier 2011 la Chambre administrative de la Cour de justice (ci-après: la Chambre administrative), a admis partiellement le recours de A._ contre la décision de la commission. Il a annulé cette décision en ce qu'elle rejetait les conclusions en annulation et la confirmait pour le surplus. La cause était renvoyée à la commission pour nouvelle décision. Les juges cantonaux ont considéré que le courrier du 22 mai 2008 de l'intéressé ne constituait pas un avis formel au sens de l'art. 4 al. 4 LCI, de sorte que le refus de l'autorisation de construire avait été pris dans les délais légaux. Le Tribunal fédéral a déclaré irrecevable le recours interjeté par A._ contre cette décision (arrêt 1C_240/2010 du 1er juin 2010).
A la suite du renvoi du Tribunal administratif et après avoir entendu les parties en audience de comparution personnelle, le TAPI a rejeté le recours de A._ par jugement du 11 mars 2011.
L'intéressé a porté sa cause devant la Chambre administrative qui, par arrêt du 3 avril 2012, a également rejeté son recours. La Chambre administrative a considéré en substance que le département était en droit de refuser l'autorisation de construire sollicitée et de suivre les recommandations de la CMNS. Il n'y avait par ailleurs pas d'inégalité de traitement.
D. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt de la Chambre administrative du 3 avril 2012 et de prononcer la nullité de la décision du DCTI du 13 juin 2008. Subsidiairement, il conclut à l'annulation de la décision entreprise et au renvoi de la cause pour nouvelle décision dans le sens des considérants. Il se plaint pour l'essentiel d'une constatation inexacte des faits, d'une mauvaise application du droit cantonal et d'une violation de divers droits fondamentaux.
La Chambre administrative s'en rapporte à justice quant à la recevabilité du recours et persiste dans les considérants et le dispositif de son arrêt. Le DCTI s'en rapporte également à justice quant à la recevabilité du recours, dont il conclut au rejet. Les intimés concluent à l'irrecevabilité du recours, subsidiairement à son rejet.
Considérant en droit:
1. Dirigé contre une décision rendue dans le domaine du droit public de l'aménagement du territoire et des constructions, le recours est en principe recevable comme recours en matière de droit public conformément aux art. 82 ss LTF. Aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'est réalisée.
Le recourant a pris part à la procédure devant l'autorité précédente et est particulièrement atteint par la décision attaquée, qui lui refuse l'autorisation de construire sollicitée; il a donc un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification, de sorte qu'il a la qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF.
2. Le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente (art. 105 al. 1 LTF), sous réserve des cas prévus par l'art. 105 al. 2 LTF. Il ne peut s'en écarter que si les constatations de ladite autorité ont été établies de façon manifestement inexacte - notion qui correspond à celle d'arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. (ATF 137 I 58 consid. 4.1.2 p. 62; 136 II 304 consid. 2.4 p. 314) - ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF (art. 105 al. 2 LTF), et pour autant que la correction du vice soit susceptible d'influer sur le sort de la cause (art. 97 al. 1 LTF). S'il entend s'écarter des constatations de fait de l'autorité précédente, le recourant doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions d'une exception prévue par l'art. 105 al. 2 LTF sont réalisées.
2.1 Au début de son mémoire, le recourant présente sa propre version des faits et apporte de nombreuses précisions aux constatations des juges cantonaux. Une telle argumentation, dans la mesure où elle s'écarte des faits établis dans l'arrêt attaqué ou les complète, sans qu'il soit indiqué que ceux-ci seraient manifestement inexacts ou arbitraires, est irrecevable, le Tribunal fédéral n'étant pas une instance d'appel (ATF 136 II 101 consid. 3 p. 104 s.; 135 II 313 consid. 5.2.2 p. 322).
Le recourant se plaint par ailleurs d'un établissement inexact des faits en relation avec son grief tiré d'une violation de l'art. 4 al. 4 LCI. La Chambre administrative aurait retenu, à tort, que son courrier du 22 mai 2008 ne constituait pas un avis formel au sens de cette disposition. Cet élément ne relève toutefois pas des faits mais constitue une question de droit, qui doit être examinée avec le fond (cf. consid. 4 ci-après).
2.2 Il résulte de ce qui précède que le grief tiré d'une constatation arbitraire des faits doit être écarté et que le Tribunal fédéral est lié par les faits retenus dans l'arrêt attaqué, conformément à l'art. 105 al. 1 LTF.
3. Avant d'aborder les griefs soulevés par le recourant, il convient de rappeler quelques principes relatifs au traitement des recours devant le Tribunal fédéral.
3.1 Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (art.106 al. 1 LTF), sous réserve de l'art. 106 al. 2 LTF. Il n'est ainsi lié ni par les arguments soulevés dans le recours ni par la motivation retenue par l'autorité précédente. Toutefois, eu égard à l'exigence de motivation contenue à l'art. 42 al. 1 et 2 LTF (cf. ATF 133 III 350 consid. 1.3 p. 351 s.; 133 IV 119 consid. 6.3 p. 120 s.), le Tribunal fédéral n'examine en principe que les griefs invoqués pour autant que les vices juridiques ne soient pas manifestes; il n'est pas tenu de traiter, comme le ferait une autorité de première instance, toutes les questions juridiques qui se posent, lorsque celles-ci ne sont plus discutées devant lui.
3.2 Aux termes de l'art. 106 al. 2 LTF, le Tribunal fédéral n'examine la violation de droits fondamentaux que si ce grief a été invoqué et motivé par le recourant. L'acte de recours doit ainsi, sous peine d'irrecevabilité, contenir un exposé succinct des droits constitutionnels ou des principes juridiques violés et préciser en quoi consiste la violation. Le Tribunal fédéral n'a pas à vérifier de lui-même si l'acte entrepris est en tous points conforme au droit et à l'équité. Il n'examine que les griefs d'ordre constitutionnel invoqués et suffisamment motivés dans le mémoire de recours. Le recourant ne saurait se contenter de soulever de vagues griefs ou de renvoyer aux actes cantonaux (ATF 133 II 249 consid. 1.4 p. 254; 133 III 393 consid. 6 p. 397).
3.3 Le Tribunal fédéral ne revoit l'interprétation et l'application du droit cantonal que sous l'angle de l'arbitraire. Il ne s'écarte de la solution retenue que si celle-ci se révèle insoutenable, en contradiction manifeste avec la situation effective, ou si elle a été adoptée sans motifs objectifs et en violation d'un droit certain, ce qu'il appartient au recourant de démontrer par une argumentation qui réponde aux exigences des art. 42 al. 2 et 106 al. 2 LTF (cf. ATF 134 II 349 consid. 3 p. 351 s.; 133 II 249 consid de 1.4.2 p. 254 et les références). Le recourant doit ainsi indiquer précisément quelle disposition constitutionnelle ou légale a été violée et démontrer par une argumentation précise en quoi consiste la violation. En outre, si l'interprétation défendue par la cour cantonale ne s'avère pas déraisonnable ou manifestement contraire au sens et au but de la disposition ou de la législation en cause, elle sera confirmée, même si une autre solution paraît également concevable, voire préférable (ATF 132 I 13 consid. 5.1 p. 17).
4. Le recourant se plaint tout d'abord d'une application arbitraire de l'art. 4 al. 4 LCI. Dans une argumentation prolixe et confuse, il présente de longs développements dans lesquels se mêlent des considérations sur les conditions d'application de cette disposition, le déroulement des événements, l'arbitraire et le droit d'être entendu, la violation du droit à la preuve, l'admission des intimés en qualité de partie et l'absence de double degré de juridiction. Il n'appartient pas au Tribunal fédéral de dégager de la dizaine de pages du recours consacrée à cette problématique les moyens susceptibles d'être recevables et pertinents. En effet, les exigences de motivation déduites de l'art. 106 al. 2 LTF imposent au recourant d'exposer avec un minimum de clarté en quoi consiste la violation des droits invoqués (cf. consid. 3.2 et 3.3 ci-dessus) et l'art. 42 al. 2 LTF suppose que le mémoire de recours ne soit pas trop long et s'en tienne à l'essentiel (cf. FLORENCE AUBRY GIRARDIN, in Commentaire de la LTF, 2009, n. 27 ad art. 42 LTF). L'examen du présent grief se limitera donc à déterminer pour l'essentiel si l'art. 4 al. 4 LCI a été appliqué arbitrairement ou non.
4.1 L'art. 4 LCI, intitulé "délai de réponse", a la teneur suivante:
1 Le délai de réponse à toute demande d'autorisation est de 60 jours à compter de la date d'enregistrement de la demande.
2 [...]
3 Lorsque le département demande des pièces ou renseignements complémentaires nécessaires, le délai est suspendu jusqu'à réception des documents. Le requérant en est avisé par écrit.
4 Si le requérant n'a pas reçu de réponse dans le délai, il peut aviser le département, par lettre recommandée, qu'il va procéder à l'exécution de ses plans. A défaut de notification de la décision dans un nouveau délai de 10 jours à compter de la réception de cet avis, le requérant est en droit de commencer les travaux.
5 - 9 [...]
4.2 L'arrêt attaqué considère que la question de savoir si le recourant était en droit de procéder aux travaux après sa lettre au département du 22 mai 2008 en application de l'art. 4 al. 4 LCI a été tranchée définitivement le 23 mars 2010. Le recourant critique la motivation de ce dernier arrêt, laquelle peut se résumer comme suit: après avoir été suspendu à plusieurs reprises pour des demandes de pièces complémentaires, le délai de l'art. 4 al. 3 LCI était échu le 21 mai 2008, sans que le département n'ait statué sur la requête en autorisation de construire déposée par le recourant. Celui-ci était dès lors en droit d'aviser le département qu'il allait procéder à l'exécution de ses plans, conformément à l'art. 4 al. 4 LCI. Le courrier du 22 mai 2008 n'était toutefois pas un avis valable au sens de cette dernière disposition. La lettre du recourant ne contenait en effet aucune mention, ni même une allusion, selon laquelle il allait procéder à l'exécution de ses plans; il se bornait à faire part de son impatience par rapport à la durée de la procédure et concluait à la délivrance d'une autorisation de construire. La seule allusion à l'art. 4 al. 4 LCI figurait dans une note annexée au courrier, où le recourant n'indiquait cependant pas qu'il allait procéder à l'exécution de ses plans.
4.3 En l'espèce, la motivation du recourant est manifestement déficiente sous l'angle de la démonstration de l'arbitraire (cf. consid. 3.3 ci-dessus). L'intéressé se contente en effet d'opposer son opinion à celle des juges cantonaux, sans démontrer en quoi cette dernière serait insoutenable. Or il apparaît que le courrier du 22 mai 2008 pouvait être interprété, sans verser dans l'arbitraire, comme ne contenant pas de mise en demeure formelle. Il n'est ainsi pas déraisonnable de retenir que le département demeurait en droit de statuer sur le fond de la requête en autorisation de construire.
Le recourant se plaint au surplus en vain d'arbitraire, d'une violation de son droit d'être entendu ainsi que d'une violation du droit à la preuve en relation avec l'avis de droit du professeur Bellanger; ce document, dont les juges cantonaux ont pris connaissance, se borne à répéter le texte de la loi, sans toutefois répondre à la question de savoir si, dans le cas particulier, le courrier du 22 mai 2008 valait avis formel, seul point pertinent pour l'issue du litige.
4.4 Mal fondé, le présent grief doit être rejeté dans la mesure de sa recevabilité.
5. Dans un développement confus, le recourant se plaint d'un "acharnement procédural" de la part du département. Il reproche à ce dernier d'avoir refusé l'autorisation de construire uniquement dans le but de le sanctionner. De même, il invoque une "promesse de l'autorité", en faisant valoir que le DCTI lui avait assuré la possibilité de construire à un certain emplacement de sa parcelle; le refus de lui accorder l'autorisation de construire était ainsi arbitraire et contraire à la bonne foi.
Il apparaît que ces critiques ne se fondent pas sur des faits retenus dans l'arrêt attaqué, qui lient le Tribunal fédéral (cf. consid. 2 ci-dessus), et qu'il est difficile de comprendre l'argumentation du recourant. Celui-ci n'explique pas clairement quels sont les principes juridiques concernés, ni en quoi consisterait leur violation. L'intéressé fait également référence à l'art. 106 LCI, sans toutefois démontrer que cette disposition aurait été appliquée de façon arbitraire. Telles qu'elles sont formulées, ces critiques sont dès lors irrecevables (cf. consid. 3 ci-dessus) et c'est en vain que le recourant prétend que les juges cantonaux auraient commis un déni de justice en omettant d'examiner ces arguments.
6. Le recourant, qui évoque un "abus de pouvoir", semble remettre en cause le pouvoir d'appréciation du département. Or, comme l'a rappelé à juste titre la Chambre administrative, le département dispose, s'agissant de l'octroi d'une dérogation, d'une grande liberté d'appréciation, que le juge ne peut revoir qu'en cas d'excès ou d'abus (cf. à cet égard STEVE FAVEZ, La dérogation en zone à bâtir et ses alternatives, RDAF 2012 I 1, p. 8 s.). Par ailleurs, chaque fois que l'autorité inférieure suit les préavis requis, l'autorité de recours doit s'imposer une certaine retenue, pour éviter de substituer sa propre appréciation à celle des commissions de préavis (cf. arrêt 1C_399/2011 du 22 décembre 2011 consid. 3 in fine).
En l'espèce, le département a suivi le préavis de la CMNS du 13 mai 2008. Celle-ci n'était pas opposée à entrer en matière sur une dérogation à l'IUS, si le projet était modifié relativement à son expression architecturale et à la construction du sous-sol. Cette modification n'a toutefois pas pu être demandée par le DCTI, le recourant ayant mis ce dernier en demeure de statuer le 3 juin 2008. Dans ces conditions, la Chambre administrative pouvait, à bon droit, considérer qu'à ce stade de la procédure, le département était en principe légitimé à refuser la délivrance de l'autorisation et à suivre les recommandations de la CMNS. Mal fondé, le recours doit être rejeté sur ce point.
7. Le recourant se prévaut encore du principe de l'égalité de traitement. Plusieurs projets avaient été autorisés récemment dans le même secteur, présentant la même typologie que le sien et bénéficiant d'une dérogation au coefficient d'IUS.
En l'espèce, la Chambre administrative a relevé que, selon les écritures du DCTI, les dérogations étaient accordées plus facilement lorsque les maisons étaient plus excentrées du village et que leur impact visuel était moins important que le bâtiment projeté. Dans le projet "En deça du Nant", évoqué par le recourant, le département s'était opposé à l'IUS; l'immeuble projeté, qui comportait trois logements et non un seul, ne portait pas atteinte au site dans la mesure où il était édifié sur le point le plus bas du village de Dardagny. Dans le projet Roethlisberger, le DCTI avait calculé l'IUS sur un groupe de parcelles et l'autorisation avait été annulée par la commission pour dépassement de l'IUS. Enfin, l'impact visuel moindre des bâtiments Niddam, Geiser et Dugerdil avaient rendu moins strictes les exigences de la CMNS à cet égard.
Le recourant souligne que les constructions Niddam, Geiser et Dugerdil sont situées en plein centre du village de Dardagny, tout comme le projet "En deça du Nant", que la typologie de ces bâtiments est similaire à celle qu'il envisageait pour sa construction et que le coefficient IUS de ces parcelles serait plus élevé. Il ne prétend cependant pas que la Chambre administrative se serait basée sur des éléments de fait arbitraires pour opérer une distinction entre les différentes situations, pas plus qu'il ne conteste l'impact visuel moindre de ces projets. L'on ne saurait dès lors déceler une inégalité de traitement en présence de situations différentes. Mal fondé, le présent grief doit être rejeté.
8. Dans un dernier grief relatif à la garantie de la propriété, le recourant reprend les arguments exposés précédemment dans son mémoire, qu'il développe sous un nouvel angle, et en soulève d'autres. Il est difficile de comprendre de quoi il se plaint exactement et de faire le lien entre ses nombreuses allégations - qui ne ressortent pas forcément de l'arrêt attaqué (cf. consid. 2 ci-dessus) - et la garantie constitutionnelle invoquée. Les exigences de motivation des art. 42 al. 2 et 106 al. 2 LTF n'étant de toute évidence pas réalisées, ces critiques doivent être écartées et le Tribunal fédéral n'est pas tenu d'examiner d'office si l'art. 26 Cst. a été correctement appliqué (cf. consid. 3.2 ci-dessus).
9. Il résulte de ce qui précède que le recours doit être rejeté dans la faible mesure de sa recevabilité, aux frais du recourant qui succombe (art. 65 et 66 al. 1 LTF). En vertu de l'art. 68 al. 2 LTF, celui-ci versera une indemnité de dépens aux intimés, qui obtiennent gain de cause avec l'assistance d'un avocat (art. 68 al. 1 et 2 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, fixés à 3'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Une indemnité de 3'000 fr. est allouée aux intimés à titre de dépens, à la charge du recourant.
4. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties, à la Commune de Dardagny, au Département des constructions et des technologies de l'information et à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre administrative, 2ème section.
Lausanne, le 20 septembre 2012
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Mabillard