Faits:
A. Le 10 juin 1998, A._, ressortissant serbe, né au Kosovo en octobre 1980, est entré en Suisse et y a déposé le même jour une demande d'asile. Par décision du 28 décembre 1998, l'Office fédéral des réfugiés (actuellement: Office fédéral des migrations; ODM) a rejeté cette demande et prononcé le renvoi de Suisse de l'intéressé, lequel a ensuite été annoncé disparu le 26 octobre 2000.
Revenu en Suisse le 23 décembre 2001 au bénéfice d'un visa en vue de mariage, A._ a épousé à Genève, le 1er février 2002, B._, ressortissante suisse née en 1962. Il a ensuite été mis au bénéfice d'une autorisation de séjour.
Se fondant sur son mariage, A._ a introduit le 16 juin 2005 une demande de naturalisation facilitée au sens de l'art. 27 de la loi fédérale du 29 septembre 1952 sur l'acquisition et la perte de la nationalité suisse (LN, RS 141.0). Dans le cadre de l'instruction de cette requête, A._ et son épouse ont signé, le 27 septembre 2007, une déclaration écrite aux termes de laquelle ils confirmaient vivre en communauté conjugale effective et stable, résider à la même adresse et n'envisager ni séparation, ni divorce. L'attention des intéressés a, en outre, été attirée sur le fait que la naturalisation facilitée ne pouvait être octroyée lorsque, avant ou pendant la procédure de naturalisation, l'un des conjoints demandait le divorce ou la séparation ou que la communauté conjugale n'existait pas, et que si cet état de fait était dissimulé, la naturalisation facilitée pouvait ultérieurement être annulée. Par décision du 8 octobre 2007 l'ODM a accordé la naturalisation facilitée à A._, lui conférant ainsi les droits de cité de son épouse.
B. Le 13 décembre 2007, A._ et B._ ont formé une requête commune en divorce auprès du Tribunal de première instance de Genève. Par jugement du 30 avril 2008, le Tribunal précité a prononcé le divorce des époux A._ et B._.
Les autorités cantonales genevoises ont ultérieurement été informées de ce divorce et ont dénoncé A._ à l'ODM, estimant qu'il avait acquis la naturalisation facilitée de manière frauduleuse au vu du court laps de temps écoulé entre cette dernière et la séparation des époux, survenue le 1er décembre 2007, et leur divorce entré en force le 27 juin 2008. Dans le cadre de l'instruction, A._ a été invité à se déterminer sur cette question et n'a pas répondu. Le 17 novembre 2010, l'ODM a informé A._ qu'il avait requis l'audition de son ex-épouse sur les circonstances qui avaient entouré leur mariage et leur divorce et l'a invité à participer à l'audition. Le recourant n'a pas donné suite à cette invitation.
Lors de son audition, B._ a précisé qu'elle avait épousé A._ afin de vivre avec lui dans des conditions légales, que le couple avait rencontré au printemps 2007 des difficultés conjugales liées à leurs différences de caractère et d'origine mais qu'elle avait spontanément signé la déclaration écrite relative à la stabilité de leur communauté conjugale. Interrogée sur le fait de savoir si un événement particulier serait survenu juste après la naturalisation de son ex-époux qui aurait justifié la remise en cause de la communauté conjugale, elle a répondu par la négative, précisant les causes de la séparation en ces termes: "c'était une coquotte minute qui s'est mise à chauffer. Il travaillait beaucoup et n'avait guère de temps pour nous".
Le 8 décembre 2010, l'ODM a transmis à l'intéressé une copie du procès-verbal d'audition de son épouse lui donnant l'occasion de faire part de ses éventuelles déterminations. Le 13 janvier 2010 (recte 2011), A._ a entièrement corroboré les déclarations de son ex-épouse.
Le canton de Lucerne a donné son assentiment à l'annulation de la naturalisation facilitée conférée à l'intéressé le 9 février 2011.
C. Par décision du 11 février 2011, l'ODM a prononcé l'annulation de la naturalisation facilitée en se fondant sur l'art. 41 LN. Le 18 mars 2011, A._ a recouru contre cette décision auprès du Tribunal administratif fédéral, en concluant à son annulation. Il a allégué que l'ODM avait abusé de son pouvoir d'appréciation en considérant que son union n'était plus stable lors de la déclaration écrite des époux du 27 septembre 2007, en affirmant que le court laps de temps écoulé entre cette déclaration et leur séparation, le 13 décembre 2007, ne permettait pas, en tant que tel, de conclure que le couple n'envisageait plus une vie future partagée à la date de la signature de ce document. Il a également allégué que la nouvelle relation amoureuse de son épouse constituait l'événement extraordinaire qui expliquait la brusque fin de leur union. Le recourant a versé au dossier une déclaration écrite de son ex-épouse du 2 mars 2011 attestant qu'elle était tombée amoureuse d'un autre homme au mois de septembre 2007 et qu'après avoir tenté de sauver leur union, elle avait demandé à son époux de consentir à une requête commune en divorce, ce qu'il avait accepté. Le recourant a expliqué qu'il avait tenté durant trois mois de reconquérir son épouse et de sauver l'union conjugale, mais sans succès.
D. Le Tribunal administratif fédéral a rejeté le recours de l'intéressé par arrêt du 28 mars 2012. Il a estimé que l'enchaînement chronologique particulièrement rapide des faits et le laps de temps extrêmement court qui s'était écoulé entre l'octroi de la naturalisation facilitée et dépôt de la demande commune de divorce étaient de nature à fonder la présomption de fait que la stabilité du mariage n'existait déjà plus au moment de la déclaration commune. Il a en particulier considéré que l'allégation tardive de la relation amoureuse de l'ex-épouse n'était guère crédible dans la mesure où ni le recourant ni l'ex-épouse n'avaient évoqué ce fait dans la procédure de première instance. L'autorité précédente a souligné que même si la rupture avait été provoquée par la liaison de l'ex-épouse, l'instruction avait permis d'établir que ce fait était préexistant à la signature de la déclaration; dès lors la communauté conjugale était à l'évidence altérée lors de la signature de la convention.
E. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal administratif fédéral. Il se plaint d'une constatation arbitraire des faits ainsi que d'une violation de l'art. 41 LN.
Le Tribunal administratif fédéral et l'ODM se sont brièvement déterminés.
Considérant en droit:
1. L'arrêt attaqué émane du Tribunal administratif fédéral et concerne l'annulation de la naturalisation facilitée accordée au recourant, si bien qu'il peut faire l'objet d'un recours en matière de droit public (art. 82 let. a et 86 al. 1 let. a LTF). Le motif d'exclusion de l'art. 83 let. b LTF n'entre pas en ligne de compte, dès lors qu'il s'agit en l'espèce de la naturalisation facilitée et non pas de la naturalisation ordinaire. Pour le surplus, le recourant possède la qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF et les conditions formelles de recevabilité sont remplies, de sorte qu'il y a lieu d'entrer en matière.
2. Dans un grief d'ordre formel qu'il convient d'examiner en premier lieu, le recourant reproche à l'instance précédente de ne pas avoir donné suite à sa demande d'auditionner B._ et d'avoir ainsi procéder à une appréciation arbitraire des preuves. Cette critique doit être mise en relation avec une éventuelle violation des art. 29 et 9 Cst.
2.1 Garanti à l'art. 29 al. 2 Cst., le droit d'être entendu comprend notamment le droit pour l'intéressé de prendre connaissance du dossier, d'offrir des preuves pertinentes, d'obtenir qu'il soit donné suite à ses offres de preuves pertinentes, de participer à l'administration des preuves essentielles ou à tout le moins de s'exprimer sur son résultat lorsque cela est de nature à influer sur la décision à rendre (ATF 135 II 286 consid. 5.1 p. 293; 129 II 497 consid. 2.2 p. 504 s). Toutefois, le droit d'être entendu ne peut être exercé que sur les éléments qui sont déterminants pour décider de l'issue du litige. Il est ainsi possible de renoncer à l'administration de certaines preuves offertes, lorsque le fait dont les parties veulent rapporter l'authenticité n'est pas important pour la solution du cas, lorsque les preuves résultent déjà de constatations versées au dossier ou lorsque le juge parvient à la conclusion qu'elles ne sont pas décisives pour la solution du litige ou qu'elles ne pourraient l'amener à modifier son opinion. Ce refus d'instruire ne viole le droit d'être entendu des parties que si l'appréciation anticipée de la pertinence du moyen de preuve offert, à laquelle le juge a ainsi procédé, est entachée d'arbitraire (ATF 136 I 229 consid. 5.3 p. 236; 131 I 153 consid. 3 p. 157; 125 I 127 consid. 6c/cc in fine p. 135).
L'arbitraire, prohibé par l'art. 9 Cst., ne résulte pas du seul fait qu'une autre solution pourrait entrer en considération ou même qu'elle serait préférable; le Tribunal fédéral ne s'écarte de la solution retenue en dernière instance cantonale que si elle est manifestement insoutenable, méconnaît gravement une norme ou un principe juridique clair et indiscuté ou si elle heurte de manière choquante le sentiment de la justice ou de l'équité. Il ne suffit pas que la motivation de la décision soit insoutenable; encore faut-il qu'elle soit arbitraire dans son résultat (ATF 136 I 316 consid. 2.2.2 p. 318 s.; 135 V 2 consid. 1.3 p. 4 s.; 134 I 263 consid. 3.1 p. 266).
2.2 En l'occurrence, le recourant allègue que l'audition de B._ était indispensable pour établir que, durant le mois de septembre 2007, elle était tombée amoureuse d'une autre homme, fait à l'origine de la détérioration rapide du lien conjugal; ce fait ressortait en outre clairement de la lettre déposée en cause par B._. Pour sa part, le Tribunal administratif fédéral a estimé que l'état de fait pertinent apparaissait suffisamment établi par les pièces du dossier et qu'il pouvait se dispenser de procéder à des mesures d'investigations supplémentaires. Il n'a nullement occulté les déclarations de l'ex-épouse mais a conclu que son audition n'était pas pertinente dans la mesure où la lettre déposée en cause ne pouvait l'amener à modifier son opinion, celle-ci étant basée sur une appréciation anticipée non arbitraire des preuves (cf. consid. 3.4.1 infra). Le Tribunal administratif fédéral n'a donc pas versé dans l'arbitraire en écartant, pour ce motif, cette demande d'audition. Par conséquent, le grief de violation du droit d'être entendu pour le refus de procéder à l'audition requise échappe à l'arbitraire et le grief de violation du droit d'être entendu doit être rejeté.
3. Le recourant conteste avoir obtenu la naturalisation par des déclarations mensongères. Il reproche au Tribunal administratif fédéral d'avoir apprécié de façon arbitraire les preuves et d'avoir établi les faits fondant le retrait de la naturalisation de façon manifestement inexacte, rendant ainsi une décision contraire à la LN. Il soutient également que l'instance précédente n'aurait pas tenu compte de circonstances pertinentes dans l'examen des éléments avancés pour renverser cette présomption.
3.1 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. Quant au recourant, il ne peut critiquer la constatation de faits, susceptibles d'avoir une influence déterminante sur l'issue de la procédure, que si ceux-ci ont été établis de manière manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF, en particulier en violation de l'interdiction constitutionnelle de l'arbitraire (art. 97 al. 1 LTF; ATF 137 I 58 consid. 4.1.2 p. 62).
En matière d'appréciation des preuves et d'établissement des faits, il y a arbitraire lorsque l'autorité n'a manifestement pas compris le sens et la portée d'un moyen de preuve, si elle ne prend pas en compte, sans raison sérieuse, un élément de preuve propre à modifier la décision ou lorsqu'elle tire des constatations insoutenables des éléments recueillis (ATF 137 I 58 consid. 4.1.2 p. 62; 129 I 8 consid. 2.1 p. 9).
3.2 Conformément à l'art. 41 al. 1 LN dans sa teneur jusqu'au 1er mars 2011 et à l'art. 14 al. 1 de l'ordonnance du 17 novembre 1999 sur l'organisation du Département fédéral de justice et police (RS 172.213.1), l'ODM peut, avec l'assentiment de l'autorité du canton d'origine, annuler dans les cinq ans une naturalisation facilitée obtenue par des déclarations mensongères ou par la dissimulation de faits essentiels.
3.2.1 Pour qu'une naturalisation facilitée soit annulée, il ne suffit pas qu'elle ait été accordée alors que l'une ou l'autre de ses conditions n'était pas remplie; il faut qu'elle ait été acquise grâce à un comportement déloyal et trompeur. S'il n'est point besoin que ce comportement soit constitutif d'une escroquerie au sens du droit pénal, il est nécessaire que l'intéressé ait donné sciemment de fausses informations à l'autorité ou qu'il l'ait délibérément laissée dans l'erreur sur des faits qu'il savait essentiels (ATF 135 II 161 consid. 2 p. 165; 132 II 113 consid. 3.1 p. 115 et les arrêts cités). Tel est notamment le cas si le requérant déclare vivre en communauté stable avec son conjoint alors qu'il envisage de se séparer une fois obtenue la naturalisation facilitée; peu importe que son mariage se soit ou non déroulé jusqu'ici de manière harmonieuse (arrêt 1C_406/2009 du 28 octobre 2009 consid. 3.1.1 et l'arrêt cité).
La nature potestative de l'art. 41 al. 1 LN confère une certaine liberté d'appréciation à l'autorité compétente, qui doit toutefois s'abstenir de tout abus dans l'exercice de celle-ci. Commet un abus de son pouvoir d'appréciation l'autorité qui se fonde sur des critères inappropriés, ne tient pas compte de circonstances pertinentes ou rend une décision arbitraire, contraire au but de la loi ou au principe de la proportionnalité (ATF 129 III 400 consid. 3.1 p. 403; 128 II 97 consid. 4a p. 101 et les arrêts cités).
D'après la jurisprudence, la notion de communauté conjugale suppose non seulement l'existence formelle d'un mariage, mais encore une véritable communauté de vie des conjoints; tel est le cas s'il existe une volonté commune et intacte de ceux-ci de maintenir une union conjugale stable; une séparation survenue peu après l'octroi de la naturalisation constitue un indice de l'absence de cette volonté lors de l'obtention de la citoyenneté suisse (ATF 135 II 161 consid. 2 p. 165; 130 II 482 consid. 2 p. 484; 128 II 97 consid. 3a p. 98).
3.2.2 La procédure administrative fédérale est régie par le principe de la libre appréciation des preuves (art. 40 de la loi fédérale de procédure civile fédérale du 4 décembre 1947 [PCF; RS 273], applicable par renvoi de l'art. 19 PA). Ce principe vaut également devant le Tribunal administratif fédéral (art. 37 LTAF). L'administration supporte le fardeau de la preuve lorsque la décision intervient, comme en l'espèce, au détriment de l'administré. Cela étant, la jurisprudence admet dans certaines circonstances que l'autorité puisse se fonder sur une présomption. C'est notamment le cas pour établir que le conjoint naturalisé a menti lorsqu'il a déclaré former une union stable, dans la mesure où il s'agit d'un fait psychique lié à des éléments relevant de la sphère intime, souvent inconnus de l'administration et difficiles à prouver (ATF 135 II 161 consid. 3 p. 166; 130 II 482 consid. 3.2 p. 485). Partant, si l'enchaînement rapide des événements fonde la présomption de fait que la naturalisation a été obtenue frauduleusement, il incombe alors à l'administré de renverser cette présomption en raison, non seulement de son devoir de collaborer à l'établissement des faits (art. 13 al. 1 let. a PA; cf. ATF 135 II 161 consid. 3 p. 166; 132 II 113 consid. 3.2 p. 115 s.), mais encore de son propre intérêt (ATF 130 II 482 consid. 3.2 p. 485 s.).
S'agissant d'une présomption de fait, qui ressortit à l'appréciation des preuves et ne modifie pas le fardeau de la preuve (cf. ATF 135 II 161 consid. 3 p. 166), l'administré n'a pas besoin, pour la renverser, de rapporter la preuve contraire du fait présumé, à savoir faire acquérir à l'autorité la certitude qu'il n'a pas menti; il suffit qu'il parvienne à faire admettre l'existence d'une possibilité raisonnable qu'il n'ait pas menti en déclarant former une communauté stable avec son conjoint. Il peut le faire en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer une détérioration rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité de ses problèmes de couple et, ainsi, l'existence d'une véritable volonté de maintenir une union stable avec son conjoint lorsqu'il a signé la déclaration (ATF 135 II 161 consid. 3 p. 165 s. et les arrêts cités).
3.3 En l'espèce, le Tribunal administratif fédéral a considéré que le laps de temps extrêmement court qui s'est écoulé entre l'octroi de la naturalisation facilitée (8 octobre 2007) et le dépôt de la demande commune de divorce (13 décembre 2007) est de nature à fonder la présomption de fait que, conformément à la jurisprudence, la stabilité requise du mariage n'existait déjà plus au moment de la déclaration commune faite le 27 septembre 2007, à tout le moins lors du prononcé de la naturalisation facilitée, intervenu le 8 octobre 2007, quand bien même les époux ne vivaient pas encore séparés à ce moment-là. La requête commune de divorce a été déposée le 13 décembre 2007, soit deux mois après le prononcé de la naturalisation facilitée; à cette date, les époux avaient déjà réglé tous les effets accessoires du divorce, puisque la requête était accompagnée d'une convention sur les effets accessoires du divorce. Le Tribunal administratif fédéral pouvait donc retenir la présomption de fait selon laquelle la communauté conjugale n'était pas stable lors de l'octroi de la naturalisation puisque l'ouverture de la procédure de divorce - dont l'ensemble des effets accessoires avait déjà été réglé conventionnellement au moment du dépôt de la demande - est intervenue deux mois après l'octroi de la naturalisation facilitée.
3.4 Conformément à la jurisprudence précitée, il convient donc de déterminer si l'intéressé est parvenu à renverser cette présomption en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire, susceptible d'expliquer une dégradation aussi rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité des problèmes de couple au moment de la signature de la déclaration commune.
3.4.1 Le Tribunal administratif fédéral a retenu, sans arbitraire, que la relation extra-conjugale de l'ex-épouse, alléguée lors de la procédure devant le Tribunal administratif fédéral, n'était pas crédible. En effet, lors de l'instruction de la cause en première instance, tant le recourant que son ex-épouse ont expliqué leur désunion par le fait que le recourant travaillait trop et ne s'occupait pas suffisamment de sa famille. B._ a en particulier exposé que les difficultés conjugales étaient liées à la différence de caractère entre les époux ainsi qu'à leur origine culturelle. Le recourant a, en tous points, confirmé ces déclarations dans ses observations du 13 janvier 2011. Ce n'est qu'à réception de la décision d'annulation de la naturalisation facilitée le 11 février 2011, que B._ a spontanément indiqué à l'autorité, le 2 mars 2011, qu'elle serait tombée amoureuse en septembre 2007 d'un autre homme et que ce fait serait, en réalité, la cause de la désunion. Les époux auraient ensuite tenté en vain de sauver leur couple. Dans son recours au Tribunal administratif fédéral, le recourant impute à ce fait la cause exclusive de la désunion. Il paraît pour le moins surprenant que ni l'ex-épouse, ni surtout le recourant n'aient fait état d'un élément aussi important au moment de l'instruction. Le Tribunal administratif fédéral pouvait ainsi retenir de manière soutenable que ces allégations n'étaient pas crédibles.
Quoi qu'il en soit, comme l'a mentionné le Tribunal administratif fédéral, même s'il devait être accordé foi aux déclarations tardives du recourant et de B._ sur l'existence d'une relation extra- conjugale, la déclaration signée le 27 septembre 2007 ne serait alors de toute manière pas conforme à la réalité. En effet, comme l'a indiqué le recourant lui-même dans son écriture au Tribunal administratif fédéral, il aurait tenté durant trois mois de sauver son couple avant de se résoudre à la requête en divorce. Dans sa déclaration spontanée, l'ex-épouse mentionne également qu'ils ont "essayé de continuer". Dès lors, force est de constater que le recourant aurait été au courant des agissements de son épouse au moment de la signature de la déclaration commune. Il ne pouvait pas, par conséquent, attester vivre une communauté conjugale effective et stable.
A cet égard, la déclaration du fils de l'ex-épouse qui dit "en avoir voulu un peu à sa mère de ne pas être restée avec lui" ne signifie nullement qu'il existait une relation extra-conjugale. Elle démontre que le couple n'avait pas trouvé d'entente commune et que sa mère ne supportait guère de voir le recourant "travailler comme une bête" (déclaration spontanée de B._ du 2 mars 2011), raison pour laquelle une requête en divorce a finalement été déposée.
3.4.2 En définitive, le recourant n'apporte aucun élément propre à démontrer la survenance d'un événement extraordinaire postérieur à la signature de la déclaration commune et susceptible d'expliquer une dégradation aussi rapide du lien conjugal. L'intéressé ne rend pas non plus vraisemblable que le 27 septembre 2007, au moment de la signature de la déclaration commune, il ignorait - dans la mesure où ce fait s'avérerait exact - que son ex-épouse était tombée amoureuse d'un autre homme. Les éléments qu'il a avancés ne sont pas de nature à renverser la présomption établie. Il en découle que les conditions d'application de l'art. 41 LN sont réunies et que le Tribunal administratif fédéral n'a pas violé le droit fédéral en confirmant l'annulation de la naturalisation facilitée qui avait été octroyée au recourant.
4. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Le recourant, qui succombe, doit supporter les frais de la présente procédure (art. 66 al. 1 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 francs, sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire du recourant, à l'Office fédéral des migrations et au Tribunal administratif fédéral, Cour III.
Lausanne, le 22 novembre 2012
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Arn