Sachverhalt:
A. Der deutsche Unternehmer B._ hatte während eines Zeitraumes von mehr als 30 Jahren Einkünfte ausserhalb Deutschlands erzielt und diese in Deutschland nicht versteuert. Im Jahre 1991 waren schliesslich Beträge von insgesamt rund DEM 200 Millionen auf verschiedenen Bankkonten in der Schweiz vorhanden. Die Konten lauteten auf Firmen - unter ihnen "S._ S.A., Mexiko" - die rein treuhänderisch für B._ handelten. Die Vermögenswerte standen B._ zu und waren wirtschaftlich sein Eigentum.
1989 heiratete B._ die geschiedene V._, deren Tochter aus früherer Ehe im Jahre 1990 A._ ehelichte. Im Jahre 1991 lernten sich A._ und B._ kennen. Letzterer hatte seit einiger Zeit nach Möglichkeiten gesucht, um die mit den in der Schweiz angesammelten Geldern zusammenhängenden Steuerprobleme zu lösen. A._ riet ihm, die Gelder bei der Bank X._ in Zürich zusammenzuführen. Nach den Vorstellungen von A._ sollten die Gelder auf ihn übertragen werden, damit er sie in die USA überweise und in Immobilien investiere. Später sollten die Vermögenswerte wieder B._ zugeführt werden. Mit Datum vom 10. Dezember 1991 bzw. 8. Mai 1992 schlossen A._ und B._ sowie die von Letzterem vertretene "S._ S.A., Mexiko" unter den Überschriften "Gemischter Schenkungs-, Niessbrauchsbestellungs- und Rentenvertrag" Vereinbarungen mit im Wesentlichen demselben Inhalt. Demnach sollte A._ für B._ die ihm zu diesem Zweck "schenkungsweise" übertragenen Vermögenswerte "von ca. 200 Millionen DEM" verwalten. A._ zog die Gelder planmässig zusammen. 10 % des Vermögenswertes, d.h. DEM 18,4 Millionen, überwies er auf ein Konto bei der Bank X._, die restlichen 90 % auf ein ihm selbst gehörendes anderes Konto bei dieser Bank.
Nachdem B._ gegenüber den deutschen Steuerbehörden eine Selbstanzeige erstattet hatte, war der Grund für die Vermögensübertragung weggefallen. B._ gelangte deshalb an A._ und verlangte die Rückübertragung der Vermögenswerte auf ihn. A._ ging zunächst darauf nicht ein. Daraufhin beauftragte B._ Rechtsanwalt Dr. T._, die Rückgabe der Vermögenswerte gegenüber A._ durchzusetzen. Mit Schreiben vom 11. Juli 1994 verlangte Rechtsanwalt Dr. T._ von A._ die Rückerstattung von DEM 221'650'833.08. In der zweiten Hälfte des Jahres 1994 und anfangs 1995 fanden Verhandlungen über die Rückgabe des Vermögens statt, die Rechtsanwalt Dr. U._ namens von A._ sowie Rechtsanwalt Dr. T._ namens von B._ führten. Am 21. März 1995 unterzeichneten B._ - dieser sowohl in eigenem Namen als auch für "S._ S.A." - und A._ eine Vereinbarung, gemäss der A._ über die ihm seinerzeit überlassenen Vermögenswerte abzurechnen und dieselben oder deren Surrogate zurückzugeben hatte, soweit sie noch in seiner unmittelbaren oder mittelbaren Verfügungsgewalt standen.
Diese Vereinbarung vom 21. März 1995 focht A._ mit Schreiben vom 11. Juli 1996 an. Er machte geltend, im Rahmen der Vertragsverhandlungen arglistig getäuscht worden zu sein.
B. B.a Mit Eingabe vom 12. Juli 1996 reichte A._ beim Bezirksgericht Zürich unter anderem gegen B._ eine negative Feststellungsklage ein mit dem Begehren, es sei festzustellen, dass die Vereinbarung vom 21. März 1995 nicht zustande gekommen bzw. nichtig sei. Eventuell sei festzustellen, dass er den Beklagten aus dieser Vereinbarung nichts schulde. B._ beantragte Abweisung der Klage und erhob Widerklage auf Zahlung von DEM 212'654'240.-- nebst Zins sowie auf Rechnungslegung und Auskunftserteilung unter Nachklagevorbehalt. Mit Teilurteil vom 25. April 2000 wies das Bezirksgericht die negative Feststellungsklage von A._ ab. Zudem hiess es die Widerklage im spruchreif erachteten Umfang gut, indem es den nach dem Tod von B._ in den Prozess eingetretenen Erbinnen, C._ und D._, den Betrag von DEM 116'498'407.-- nebst 4 % Zins seit 30. September 1997 zusprach und A._ verpflichtete, über die von B._ erhaltenen Vermögenswerte Rechnung zu legen und bestimmte Auskünfte zu erteilen. Mit der Verurteilung zur Zahlung von DEM 116'498'407.-- entschied das Bezirksgericht definitiv über die Vermögenswerte Immobilien in Miami Beach und Indian Creek, noch nicht aber über die Kunstgegenstände und das nicht investierte Vermögen bzw. dessen Surrogate. In Bezug auf diesen letzteren Teil erachtete das Bezirksgericht die Widerklage als nicht spruchreif. In einem gesonderten Beschluss wies das Bezirksgericht den Antrag des Beschwerdeführers, auf die Widerklage nicht einzutreten, ab.
Mit Urteil vom 9. Januar 2003 wies das Obergericht des Kantons Zürich die Klage auf die gegen das Teilurteil gerichtete Berufung von A._ hin ab. Die Widerklage hiess es (im spruchreifen Umfang betreffend die Immobilien in Miami Beach und Indian Creek) gut und verurteilte A._ aufgrund der Einführung des Euro zur Zahlung von EUR 59'564'689.67 (entsprechend DEM 116'498'407.--) nebst 4 % Zins seit 30. September 1997. Hingegen entschied es (wie bereits das Bezirksgericht) über das Leistungsbegehren der Widerklage insoweit noch nicht, als die Kunstgegenstände und das nicht investierte Vermögen bzw. die Surrogate betroffen waren. Es verpflichtete A._ diesbezüglich zur Auskunftserteilung und Rechenschaftsablage. Das Obergericht fällte zudem einen gesonderten Beschluss, mit dem es den Rekurs und den Antrag von A._, auf die Widerklage nicht einzutreten, abwies.
Die von A._ gegen das Urteil und den Beschluss des Obergerichts erhobene Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht des Kantons Zürich wies dieses mit Sitzungsbeschluss vom 17. November 2003 ab, soweit es darauf eintrat.
Vorerst wurde weder gegen die Entscheide des Obergerichts vom 9. Januar 2003 noch gegen den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 ein Rechtsmittel an das Bundesgericht ergriffen. Erst am 8. Mai 2007 erhob A._ gegen den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts staatsrechtliche Beschwerde an das Bundesgericht, nachdem C._ und D._ das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 in Florida am Wohnort von A._ hatten für vollstreckbar erklären lassen. Das Bundesgericht trat mit Urteil vom 21. Mai 2007 auf die staatsrechtliche Beschwerde nicht ein (Verfahren 4P.44/2007).
B.b Am 23. März 2005 entschied das Bezirksgericht über den noch nicht beurteilten Teil der Widerklage. Es sprach C._ und D._ weitere EUR 44'917'417.-- nebst Zins zu und wies die Widerklage im Mehrbetrag ab. Gegen dieses Urteil erhob A._ Berufung an das Obergericht. Am 11. Dezember 2008 verpflichtete dieses A._, C._ und D._ als Solidargläubigerinnen EUR 44'917'417.-- nebst Zins zu bezahlen. Zugleich merkte es mit gesondertem Beschluss vor, dass die Abweisung der Widerklage im Mehrbetrag am 20. Juni 2006 rechtskräftig geworden sei.
Das Kassationsgericht hiess mit Zirkulationsbeschluss vom 23. Juli 2009 die von A._ gegen das obergerichtliche Urteil vom 11. Dezember 2008 erhobene Nichtigkeitsbeschwerde gut, hob den angefochtenen Entscheid auf und wies die Angelegenheit zur Neubeurteilung an das Obergericht zurück. Auf die Nichtigkeitsbeschwerde gegen den Beschluss des Obergerichts vom 11. Dezember 2008 trat es nicht ein. Das Kassationsgericht befand, bezüglich der Verpflichtung von A._, C._ und D._ EUR 23'494'287.-- für "nicht investierte Vermögenswerte/Surrogate" zu bezahlen, habe das Obergericht den Gehörsanspruch von A._ verletzt durch die Feststellung, A._ habe keine substanziierten Einwendungen gegen diesen Betrag vorgebracht. In den übrigen Bereichen gingen die Rügen von A._ fehl, soweit sie behandelt worden seien.
Zugleich mit der kantonalen Nichtigkeitsbeschwerde hatte A._ gegen die Beschlüsse und die Urteile des Obergerichts vom 11. Dezember 2008 und vom 9. Januar 2003 sowie den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 Beschwerde in Zivilsachen erhoben. Das Bundesgericht sistierte sein Verfahren bis zum Entscheid des Kassationsgerichts. Am 11. November 2009 schrieb es das Verfahren hinsichtlich der Beschwerde gegen das Urteil des Obergerichts vom 11. Dezember 2008, den Beschluss und das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 sowie den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 als gegenstandslos geworden ab und trat betreffend den Beschluss des Obergerichts vom 11. Dezember 2008 auf die Beschwerde nicht ein (Verfahren 4A_85/2009).
Daraufhin fällte das Obergericht einen neuen Entscheid. Mit Beschluss vom 25. Mai 2010 hob es das Urteil des Bezirksgerichts vom 23. März 2005 auf und wies den Prozess zur Durchführung eines Beweisverfahrens im Sinne der Erwägungen und zu neuer Entscheidung an das Bezirksgericht zurück. Dieses hatte noch die beiden widerklageweise geltend gemachten Positionen "Kunstgegenstände" und "nicht investierte Vermögenswerte/Surrogate" zu beurteilen. Am 22. Juni 2011 trat das Bezirksgericht auf den Antrag von A._, wonach die Teilwiderklage abzuweisen sei, nicht ein. Zudem verpflichtete es A._, C._ und D._ EUR 21'423'129.-- sowie USD 2'027'000.--, jeweils nebst Zins, zu bezahlen.
Dagegen erhob A._ Berufung an das Obergericht und beantragte, die Teilwiderklage vollumfänglich abzuweisen, eventualiter die Sache zur Neubeurteilung an das Bezirksgericht zurückzuweisen. Mit Urteil vom 3. August 2012 erachtete das Obergericht die Berufung für unbegründet und verpflichtete A._, C._ und D._, EUR 21'423'129.-- sowie USD 2'027'000.--, jeweils nebst Zins zu 4 % seit dem 30. September 1997, zu bezahlen.
B.c Mit Verfügung vom 21. Juli 2009 erliess das Bezirksgericht Zürich auf Gesuch von C._ und D._ und gestützt auf das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 und die Vereinbarung vom 21. März 1995 einen Arrestbefehl für die bei der Bank Y._ und die bei der Bank Z._ vorhandenen Vermögenswerte, Guthaben und Forderungen von A._. In der Folge wurde in den diesbezüglichen Betreibungen die definitive Rechtsöffnung jedoch vom Bezirks- und Obergericht verweigert. Die dagegen von C._ und D._ erhobene Beschwerde wies die II. zivilrechtliche Abteilung des Bundesgerichts mit Urteil vom 5. September 2011 ab. Sie erkannte, aus übergangsrechtlichen Gründen müsse die Möglichkeit zugelassen werden, das Teilurteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 zusammen mit dem späteren "Vollentscheid" mitanzufechten. Mangels Vollstreckbarkeit könne demnach die definitive Rechtsöffnung für das Teilurteil vom 9. Januar 2003 nicht erteilt werden (Verfahren 5A_188/2011).
C. A._ (Beschwerdeführer) beantragt mit Beschwerde in Zivilsachen, das Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012, den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 sowie den Beschluss und das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 vollumfänglich aufzuheben. Es seien die in der Berufungsschrift vom 1. November 2000 gestellten Anträge gutzuheissen (ohne Hervorhebungen):
"b) Die vor erster Instanz erhobenen Anträge seien gutzuheissen, d.h.
i) Es sei festzustellen, dass die am 21. März 1995 zwischen dem Kläger und +B._ geschlossene Vereinbarung nicht zustande gekommen ist.
Eventualiter zu i): Es sei festzustellen, dass der Kläger den Beklagten aus der Vereinbarung vom 21. März 1995 nichts schuldet.
ii) Auf die Widerklage sei nicht einzutreten.
Eventualiter zu ii): Die Widerklage sei abzuweisen.
Eventualiter zu 1b): Der Prozess sei zur Durchführung eines Beweisverfahrens und zur Neubeurteilung ans Bezirksgericht zurückzuweisen."
Eventualiter sei die Sache an das Obergericht des Kantons Zürich zur Neubeurteilung zurückzuweisen.
C._ und D._ (Beschwerdegegnerinnen) beantragen, auf die Beschwerde nicht einzutreten. Sofern und soweit auf sie eingetreten werde, sei sie abzuweisen, und die angefochtenen Entscheide seien zu bestätigen. Das Obergericht verzichtete auf eine Vernehmlassung.
Die Parteien reichten Replik und Duplik ein.
Erwägungen:
1. 1.1 Das Bundesgericht prüft von Amtes wegen und mit freier Kognition, ob ein Rechtsmittel zulässig ist (BGE 138 III 41 E. 1; 137 III 417 E. 1).
1.2 Beim angefochtenen Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012 handelt es sich um einen Endentscheid (Art. 90 BGG). Insofern steht der Zulässigkeit der dagegen gerichteten Beschwerde nichts entgegen (vgl. aber Erwägung 2.).
1.3 Der Beschwerdeführer ficht das Urteil und den Beschluss des Obergerichts vom 9. Januar 2003 und den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003, mit dem das Kassationsgericht die gegen die genannten obergerichtlichen Entscheide gerichtete Nichtigkeitsbeschwerde abwies, soweit es darauf eintrat, zusammen mit dem Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012 an. Beim Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 sowie beim Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 handelt es sich um Teilentscheide (zur Qualifikation des Sitzungsbeschlusses vom 17. November 2003 als Teilentscheid, vgl. Urteil 4P.44/2007 vom 21. Mai 2007 E. 3.2). Im Verfahren 4A_85/2009 konnte das Bundesgericht die Frage offen lassen, ob eine Mitanfechtung dieser noch unter der Geltung des Bundesgesetzes über die Organisation der Bundesrechtspflege vom 16. Dezember 1943 (OG) gefällten Entscheide unter der Herrschaft des BGG zulässig wäre (E. 1.2 in fine). Indessen entschied die II. zivilrechtliche Abteilung im Urteil 5A_188/2011 vom 5. September 2011 mit eingehenden Erwägungen, dass eine spätere Mitanfechtung aus übergangsrechtlichen Gründen zuzulassen sei (insb. E. 3.3.1). Die Mitanfechtung der beiden genannten Entscheide zusammen mit dem Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012 erweist sich somit aus den in jenem Entscheid angeführten Gründen als zulässig (vgl. aber Erwägung 3.2). Ob dies auch für den Beschluss des Obergerichts vom 9. Januar 2003 gilt, kann dagegen offen bleiben, da sich dessen Anfechtung mit der vorliegenden Beschwerde aus anderen Gründen als unzulässig erweist (Erwägung 3.1).
2. 2.1 Mit Beschwerde in Zivilsachen können Rechtsverletzungen nach Art. 95 und 96 BGG gerügt werden. Die Beschwerde ist hinreichend zu begründen, andernfalls wird darauf nicht eingetreten. In der Beschwerdeschrift ist in gedrängter Form darzulegen, inwiefern der angefochtene Akt Recht verletzt (Art. 42 Abs. 2 BGG). Eine qualifizierte Rügepflicht gilt hinsichtlich der Verletzung von Grundrechten und von kantonalem und interkantonalem Recht. Das Bundesgericht prüft solche Rügen nur insofern, als sie in der Beschwerde präzise vorgebracht und begründet worden sind (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 136 I 65 E. 1.3.1;134 I 83 E. 3.2; 133 III 439 E. 3.2).
2.2 Die Beschwerde ist innert der Beschwerdefrist vollständig begründet einzureichen (Art. 42 Abs. 1 BGG). Eine Beschwerdeergänzung kommt einzig für Beschwerden auf dem Gebiet der internationalen Rechtshilfe in Strafsachen in Betracht (Art. 43 BGG). Eine Nachfrist zur Verbesserung einer ungenügenden Begründung wird nicht angesetzt (BGE 134 II 244 E. 2.4). Vor Bundesgericht findet zudem in der Regel nur ein Schriftenwechsel statt (Art. 102 Abs. 3 BGG). Reicht der Beschwerdeführer eine Replik ein, darf er diese nicht dazu verwenden, seine Beschwerde zu ergänzen oder zu verbessern (BGE 132 I 42 E. 3.3.4 mit Hinweisen). Die Ausführungen in der Replik des Beschwerdeführers, welche die Beschwerdebegründung ergänzen, können daher nicht berücksichtigt werden.
2.3 Beruht der angefochtene Entscheid auf mehreren selbständigen Begründungen, die je für sich den Ausgang des Rechtsstreits besiegeln, so hat der Beschwerdeführer darzulegen, dass jede von ihnen Recht verletzt; andernfalls kann auf die Beschwerde nicht eingetreten werden (BGE 136 III 534 E. 2.2; 133 IV 119 E. 6.3).
3. 3.1 Im mitangefochtenen Beschluss vom 9. Januar 2003 wies das Obergericht den Antrag des Beschwerdeführers, auf die Widerklage nicht einzutreten, ab. Das Kassationsgericht erkannte daraufhin, dass der Beschwerdeführer (auch) betreffend den Beschluss des Obergerichts keine Nichtigkeitsgründe nachzuweisen vermocht habe. Der Beschwerdeführer beantragt mit der Beschwerde in Zivilsachen die Aufhebung des Beschlusses des Obergerichts vom 9. Januar 2003. Er begründet in der Beschwerde jedoch nicht, weshalb dieser Beschluss bundesrechtswidrig sein soll bzw. weshalb das Kassationsgericht die gegen diesen Beschluss gerichteten Rügen zu Unrecht verworfen hätte. Auf die Beschwerde kann insoweit mangels Begründung nicht eingetreten werden (Erwägung 2.).
3.2 Ebensowenig kann auf die Beschwerde gegen das mitangefochtene Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 eingetreten werden:
Mit seiner Beschwerde in Zivilsachen erhebt der Beschwerdeführer ausschliesslich Verfassungsrügen, so der Verletzung von Art. 29 Abs. 2 BV (rechtliches Gehör) und von Art. 9 BV (Willkürverbot). Da diese Rügen alle mit der kantonalen Nichtigkeitsbeschwerde (§ 281 ff. des Gesetzes des Kantons Zürich über den Zivilprozess vom 13. Juni 1976 [aZPO/ZH]) gegen das obergerichtliche Urteil vom 9. Januar 2003 dem Kassationsgericht vorgetragen werden konnten (vgl. § 285 Abs. 1 und 2 aZPO/ZH; BGE 133 III 585 E. 3.2 und 3.4), kann insofern einzig der Beschluss des Kassationsgerichts angefochten werden. Hingegen kann der Beschwerdeführer die vor Bundesgericht erhobenen Verfassungsrügen mangels Letztinstanzlichkeit (Art. 75 Abs. 1 BGG) nicht direkt gegen das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 richten. Andere Rügen, wie namentlich solche der Verletzung von (einfachem) Bundesrecht, die dem Kassationsgericht nicht unterbreitet werden konnten, erhebt der Beschwerdeführer gegen das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 nicht. Dessen Mitanfechtung geht daher mangels zulässiger Rügen ins Leere. Somit kann auf die Beschwerde auch insoweit nicht eingetreten werden, als sie sich gegen das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 richtet.
4. Soweit sich der Beschwerdeführer gegen das Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012 wendet, missachtet er die Anforderungen an die Begründung der Beschwerde in Zivilsachen (Erwägung 2.). Er bringt bezüglich dieses Urteils keinerlei Rügen vor und unterlässt jegliche Begründung, weshalb es bundesrechtswidrig sein soll. Er führt einzig an, das Urteil vom 3. August 2012 beruhe rechtlich auf dem Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 bzw. auf dem Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003. Letztere Entscheide hätten auf eine Leistungspflicht des Beschwerdeführers erkannt, die später im zweiten Berufungsurteil bezüglich des noch unbeurteilt gebliebenen Teils betragsmässig spezifiziert worden sei. Demgegenüber sei die grundsätzliche Frage der Leistungspflicht aufgrund des Urteils vom 9. Januar 2003 sowie des Sitzungsbeschlusses vom 17. November 2003 nach Ansicht des Bezirksgerichts und des Obergerichts bereits präjudiziert gewesen. Wenn das Bundesgericht diese beiden Entscheide aufhebe, sei dem Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012 die Grundlage entzogen, und dieses müsse ebenfalls dahinfallen.
Diese Ausführungen stellen keine hinreichende Beschwerdebegründung dar. Das Obergericht legte im Urteil vom 3. August 2012 den vom Beschwerdeführer den Beschwerdegegnerinnen geschuldeten Betrag für "nicht investiertes Vermögen/Surrogate" fest. Dagegen bringt der Beschwerdeführer nichts vor. Dies schadet ihm nicht, soweit er argumentiert, dass ihn überhaupt keine Leistungspflicht treffe, würde damit doch ohne weiteres auch die Festsetzung des Quantitativs der Teilforderung für "nicht investiertes Vermögen/Surrogate" dahin fallen.
Indessen verkennt der Beschwerdeführer, dass das Obergericht im Urteil vom 3. August 2012 bezüglich der grundsätzlichen Frage der Leistungspflicht (des Beschwerdeführers) eine doppelte Begründung gab: Im Hauptstandpunkt sah es sich betreffend die vom Beschwerdeführer postulierte Nichtigkeit bzw. Teilnichtigkeit der Vereinbarung vom 21. März 1995 an seine diesbezügliche Beurteilung im Urteil vom 9. Januar 2003 gebunden.
Darüber hinaus gab das Obergericht eine selbständige Eventualbegründung für den Fall, dass es nicht daran gebunden wäre und eine erneute Beurteilung vornehmen könnte: Es führte im Wesentlichen aus, es habe bereits im Beschluss vom 25. Mai 2010 keine Behauptung des Beschwerdeführers festgestellt, wonach die schriftliche Vereinbarung vom 21. März 1995 von den Parteien lediglich simuliert gewesen sei und daneben eine mündliche, dissimulierte "wirkliche Vereinbarung" mit einem von der schriftlichen Vereinbarung abweichenden übereinstimmenden tatsächlichen Parteiwillen existiert habe. Ebensowenig habe es damals festgestellt, dass der Beschwerdeführer behauptet habe, die Vereinbarung vom 21. März 1995 sei von beiden Parteien nur für die Steuerbehörden erstellt worden, die Parteien seien der übereinstimmenden Meinung gewesen, die schriftliche Vereinbarung werde nicht buchstabengetreu ausgeführt, oder die Parteien hätten darin übereingestimmt, dass der Beschwerdeführer nach dem Vollzug der Vereinbarung wirtschaftlich nicht schlechter gestellt sein solle und dass er mit einer Zahlung von insgesamt DEM 37-59 Millionen seine Rückgabepflicht erfüllen könne. Als diesbezügliche Behauptung des Beschwerdeführers habe das Obergericht vielmehr festgehalten, solches sei ihm versichert worden und er sei dadurch getäuscht worden. Deshalb habe es die Behauptungen des Beschwerdeführers nur unter den Aspekten des Irrtums und der Täuschung geprüft. Weiter habe es im Beschluss vom 25. Mai 2010 ausgeführt, dass der Beschwerdeführer, wenn er der Meinung gewesen wäre, das Obergericht habe damit seine tatsächlichen Parteivorbringen gar nicht geprüft, dies mit der gegen das Urteil vom 9. Januar 2003 erhobenen Nichtigkeitsbeschwerde hätte rügen müssen. Das gelte insbesondere, wenn er der Meinung gewesen wäre, er habe schon damals - im ersten Berufungsverfahren - eine Simulation der schriftlichen Vereinbarung vom 21. März 1995 und eine davon abweichende, dissimulierte, den übereinstimmenden tatsächlichen Parteiwillen enthaltende mündliche Vereinbarung behauptet. Das habe das Obergericht damals tatsächlich nicht geprüft. Da er eine solche Rüge beim Kassationsgericht unterlassen habe oder dieses eine solche abgewiesen habe oder nicht darauf eingetreten sei, bleibe es bei den damaligen Feststellungen des Obergerichts und Prüfungen der Behauptungen des Beschwerdeführers. Die neu vorgetragene Behauptung, die Vereinbarung vom 21. März 1995 sei bloss simuliert, rechtsverbindlich sei hingegen die erwähnte "wirkliche Vereinbarung", sei - so das Obergericht in seinem Beschluss - prozessual unzulässig.
Dass das Obergericht insofern aus seinem Beschluss vom 25. Mai 2010 zitierte, ändert nichts. Denn es hielt fest, diese Überlegungen hätten auch heute noch Bestand, womit es die zitierten Erwägungen zur Begründung des Urteils vom 3. August 2012 erhob. Diese selbständige Eventualbegründung zur geltend gemachten (Teil-) Nichtigkeit (resp. Unverbindlichkeit) der Vereinbarung vom 21. März 1995 und damit zum grundsätzlichen Bestand der Leistungspflicht des Beschwerdeführers ficht dieser in der Beschwerde jedoch mit keinem Wort an. Das macht seine Beschwerde in diesem Punkt unzulässig und es kann auf sie nicht eingetreten werden, soweit sie sich gegen das Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012 richtet.
5. 5.1 Die Beschwerdegegnerinnen meinen, damit erweise sich die Beschwerde ohne weiteres auch als unzulässig, soweit sie sich gegen die bloss mitangefochtenen Entscheide vom 9. Januar 2003 bzw. vom 17. November 2003 richtet. Dies wäre möglicherweise die Konsequenz, wenn es sich bei den mitangefochtenen Entscheiden um blosse Zwischenentscheide handelte, an deren Anfechtung das Interesse dahin fällt, wenn der Endentscheid mangels (rechtsgenüglicher) Anfechtung so oder anders rechtlichen Bestand behält. Indessen richtet sich die Beschwerde auch gegen Teilentscheide, deren Mitanfechtung aus übergangsrechtlichen Gründen zugelassen wird (Erwägung 1.3). Das Interesse an der Anfechtung dieser Teilentscheide fällt nicht ohne weiteres dahin, weil das Urteil vom 3. August 2012 zufolge Nichteintreten auf die Beschwerde rechtsverbindlich bleibt.
5.2 Indessen geht die Beschwerde aus anderen Gründen auch bezüglich der mitangefochtenen Entscheide fehl, wobei infolge obiger Erwägungen (Erwägung 3.) lediglich noch die Anfechtung des Sitzungsbeschlusses des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 zur Prüfung ansteht:
Im Wesentlichen moniert der Beschwerdeführer mit seinen dagegen erhobenen Rügen, dass über seine angebliche Behauptung der Simulation der Vereinbarung vom 21. März 1995 und einer mündlich geschlossenen dissimulierten "wirklichen Vereinbarung" kein Beweis abgenommen, namentlich Dr. U._ nicht als Zeuge befragt worden sei. Er will das Bundesgericht mittels herausgegriffenen Auszügen aus seinen Eingaben annehmen lassen, er habe entsprechende Behauptungen den kantonalen Instanzen rechtzeitig vorgetragen. Diese hätten sie aber in willkürlicher Weise und in Verletzung seines rechtlichen Gehörs nicht geprüft.
Nun hat nach den - mangels rechtsgenüglicher Anfechtung - verbindlichen Feststellungen des Obergerichts im Urteil vom 3. August 2012 (vgl. Erwägung 4.) der Beschwerdeführer im Verfahren, das zum Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 und zum Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 führte, gar nie behauptet, die Vereinbarung vom 21. März 1995 sei von den Parteien lediglich simuliert gewesen und daneben existiere eine mündliche, dissimulierte "wirkliche Vereinbarung". Vielmehr hatte er anderes behauptet (insb. Täuschungshandlungen durch Dr. U._) und sich auf Täuschung und Irrtum berufen. Er rügte beim Kassationsgericht dann auch nicht, das Obergericht habe seine tatsächlichen Vorbringen einer Simulation der Vereinbarung vom 21. März 1995 und einer mündlichen Abmachung einer dissimulierten "wirklichen Vereinbarung" nicht geprüft und zum Beweis verstellt. Mit der entsprechenden Behauptung kann er vor Bundesgericht bereits mangels Letztinstanzlichkeit der Rüge nicht mehr gehört werden (vgl. Erwägung 3.2), und seinem Versuch, seine damaligen Vorbringen in solche einer Simulation der Vereinbarung vom 21. März 1995 und einer dissimulierten "wirklichen Vereinbarung" umzudeuten, kann kein Gehör beschieden sein. Vielmehr hat das Bundesgericht seinem Urteil die anderslautende verbindliche Feststellung des Obergerichts im Urteil vom 3. August 2012 zugrunde zu legen (Art. 105 Abs. 1 BGG).
Damit ist den Rügen des Beschwerdeführers, die allesamt darauf beruhen, dass er rechtzeitig die Simulation der Vereinbarung vom 21. März 1995 und den mündlichen Abschluss einer dissimulierten "wirklichen Vereinbarung" behauptet und zum Beweis verstellt habe, der Boden entzogen. Auch die Rügen betreffend Qualifikation der "Schenkungsverträge" von 1991/1992 als Treuhandverhältnis und der Behandlung von Dr. U._ als Vertreter des Beschwerdeführers bei den Vertragsverhandlungen der Vereinbarung vom 21. März 1995 erlangen nur Entscheidrelevanz bei Zugrundelegung des neuen Sachvortrags des Beschwerdeführers. Nachdem dieser nicht gehört werden kann, entbehren auch diese Vorbringen der Grundlage. Die erhobenen Rügen erweisen sich damit von vornherein als unbehelflich, ohne dass im Einzelnen auf sie eingegangen werden müsste. Die Beschwerde gegen den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 ist demnach abzuweisen, soweit auf sie einzutreten ist.
6. Auf die Beschwerde kann grösstenteils nicht eingetreten werden, und sie erweist sich im Übrigen als unbegründet. Entsprechend dem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kosten- und entschädigungspflichtig (Art. 66 Abs. 1 und 68 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 65'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Der Beschwerdeführer hat die Beschwerdegegnerinnen für das bundesgerichtliche Verfahren insgesamt mit Fr. 120'000.-- zu entschädigen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 14. Januar 2013
Im Namen der I. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Klett
Der Gerichtsschreiber: Kölz