Faits:
A. L'hoirie de feu X._, constituée de B._, de C._, de D._ et de E._ (ci-après: l'hoirie) est propriétaire des parcelles n° 3'164, 3'165, 3'171 et 3'206 du cadastre de la commune de Chêne-Bougeries (Genève). Ces parcelles forment, avec la parcelle n° 3'205 propriété de F._ SA, une surface totale de 3'382 m2.
Par décision du 20 juin 2011, le Département de l'urbanisme (ci-après: le Département) a délivré l'autorisation de construire sur ces parcelles quatre villas contigües répondant au label Minergie, avec garages et piscines: la surface habitable du projet était de 921 m2, soit légèrement inférieure à 27,5% de la surface totale des parcelles; la surface en sous-sol était de 736 m2, soit légèrement inférieure à 22% de la surface totale des parcelles.
Ces parcelles sont situées à l'adresse 13, 13A, 13B et 13C de l'avenue Jacques-Martin et distantes de 70 à 80 mètres de la parcelle n° 585 à l'adresse 19, avenue Jacques-Martin, propriété de A._. Entre ces parcelles et la parcelle n° 585, se trouve la parcelle n° 3'163 d'une surface de 4'319 m2 à l'adresse 15, avenue Jacques-Martin, propriété de l'hoirie.
B. A._ a recouru contre la décision du 20 juin 2011 auprès du Tribunal administratif de première instance qui a rejeté son recours par jugement du 27 octobre 2011.
A._ a interjeté recours devant la Chambre administrative de la Cour de justice du canton de Genève (ci-après: la Chambre administrative), se plaignant notamment de la violation du rapport de surface autorisé au sous-sol, du caractère incompatible du projet avec l'esthétique du quartier et soulevant des questions techniques en relation avec les standards de haute performance énergétique. Après avoir admis la qualité pour recourir du voisin pour ces points, la Chambre administrative a rejeté le recours.
C. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du 25 septembre 2012 de la Chambre administrative et d'annuler l'autorisation de construire du 20 juin 2011, avec suite de frais et dépens à charge des intimés. Il se plaint d'une application arbitraire du droit fédéral en relation avec l'indice d'utilisation des parcelles en sous-sol.
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 Département, d'une part, l'hoirie et F._ SA, d'autre part, concluent à l'irrecevabilité du recours au motif que le recourant ne retirerait aucun avantage pratique de l'annulation de la décision entreprise. Ils concluent, sur le fond, au rejet du recours. A._ a répliqué le 14 janvier 2013.
Considérant en droit:
1. Dirigé contre une décision prise en dernière instance cantonale (art. 86 al. 1 let. d LTF) dans le domaine du droit public des constructions, le recours est en principe recevable comme recours en matière de droit public selon les art. 82 ss LTF, aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF n'étant réalisée.
2. Les intimés et le Département contestent au recourant la qualité pour recourir devant le Tribunal fédéral, question qu'il faut examiner avant tout grief relevant du fond.
2.1 Aux termes de l'art. 89 LTF, la qualité pour recourir est reconnue à toute personne atteinte par la décision attaquée et qui dispose d'un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification. Selon la jurisprudence rendue en application de cette disposition, le recourant doit se trouver dans une relation spéciale, étroite et digne d'être prise en considération avec l'objet de la contestation. Le voisin direct de la construction ou de l'installation litigieuse a en principe la qualité pour recourir (ATF 121 II 171 consid. 2b p. 174). Le critère de la distance n'est pas le seul déterminant; s'il est certain ou très vraisemblable que l'installation ou la construction litigieuse sera à l'origine d'immissions - bruit, poussières, vibrations, lumière, fumée - atteignant spécialement les voisins, même situés à une certaine distance, ces derniers peuvent avoir qualité pour recourir (ATF 136 II 281 consid. 2.3.1 p. 285). Par ailleurs, la proximité avec l'objet du litige ne suffit pas à elle seule à conférer au voisin la qualité pour recourir contre l'octroi d'une autorisation de construire. Celui-ci doit en outre retirer un avantage pratique de l'annulation ou de la modification de la décision contestée qui permette d'admettre qu'il est touché dans un intérêt personnel se distinguant nettement de l'intérêt général des autres habitants de la collectivité concernée de manière à exclure l'action populaire (ATF 137 II 30 consid. 2.2.3 p. 33).
Ainsi, des voisins, situés à environ 100 mètres de la construction projetée, ne sont pas particulièrement atteints par ce projet s'ils ne voient pas depuis leur propriété la toiture qu'ils critiquent. Un tel recours est donc irrecevable pour défaut de qualité pour recourir (arrêt 1C_338/2011 du 30 janvier 2012 consid. 3, publié in SJ 2012 I 422). De même, la qualité pour recourir est en principe déniée au voisin lorsque l'objet du litige concerne uniquement l'application de règles relatives à l'aménagement intérieur des constructions (ATF 133 II 249 consid. 1.3.2 p. 253; Moor/Poltier, Droit administratif, volume II, 2011, p. 736).
2.2 La cour cantonale a retenu que la parcelle du recourant était située à une distance de 70 à 80 mètres du projet litigieux et que, en raison des griefs invoqués devant elle, en particulier la densité des constructions projetées, le voisin était touché plus que quiconque dans un intérêt direct et personnel digne de protection.
Dans ses écritures devant le Tribunal fédéral, le recourant expose que la cour cantonale a mal appliqué les dispositions en matière d'indice d'utilisation du sol. Or, celles-ci auraient un impact direct et important sur les constructions réalisables sur les parcelles concernées; en outre, elles viseraient à sauvegarder la typologie du quartier et à éviter les constructions massives.
2.3 Par rapport à ce qui prévalait devant l'instance cantonale, l'objet du litige est désormais restreint à la seule question de l'éventuelle violation des dispositions cantonales relatives à l'indice d'utilisation des parcelles en sous-sol. Le recourant reproche ainsi à la cour cantonale d'avoir violé l'art. 59 al. 9 de la loi sur les constructions et les installations diverses (LCI; RS/GE L 5 05). Or, cette disposition règle uniquement la question de la surface du sous-sol, laquelle ne peut - à teneur de la lettre de la loi - pas excéder le 20% de la surface de la parcelle. En revanche, le recourant ne remet plus en cause la proportion de surface de plancher habitable du projet de 27,5% de la surface totale du terrain (art. 59 al. 4 let. a LCI); il ne critique pas non plus la surface de construction telle que définie à l'art. 59 al. 1 LCI.
Contrairement à ce qu'allègue sans autre démonstration le voisin, la modification de la surface du sous-sol (art. 59 al. 9 LCI) n'est pas de nature à entraîner une modification du projet en surface (art. 59 al. 1 et 4 let. a LCI): pour preuve, les intimés ont obtenu une autorisation complémentaire de construire le 10 janvier 2012 - objet d'une procédure actuellement suspendue devant le Tribunal administratif de première instance - portant sur une surface en sous-sol atteignant le coefficient de 20% sans modification du projet hors sol; en outre, l'emprise au sol des constructions ainsi que leur surface de plancher habitable ne sont plus contestées devant le Tribunal fédéral, de sorte qu'elles doivent être considérées comme étant entrées en force de chose jugée. Dans ces conditions, il apparaît que l'issue de la présente procédure, même dans l'hypothèse de l'admission du recours, n'est pas susceptible de procurer au recourant un avantage pratique, puisque l'impact visuel de la construction ne serait de toute manière pas modifié. Le recourant n'allègue en outre pas, comme il lui incombait de le faire (ATF 133 II 249 consid. 1.1 p. 251), que l'utilisation souterraine des parcelles des intimés, en tant qu'elle dépasse le 20% inscrit dans la loi genevoise, serait à l'origine d'immissions l'atteignant spécialement.
Par conséquent, le présent recours doit être déclaré irrecevable pour défaut d'intérêt pratique à recourir. Il n'y a donc pas lieu d'entrer en matière sur les griefs matériels contenus dans le recours.
3. Les frais judiciaires sont mis à la charge du recourant, qui succombe (art. 66 al. 1 LTF). Celui-ci versera en outre aux intimés, qui obtiennent gain de cause, une indemnité de dépens (art. 68 al. 1 et 2 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est irrecevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le recourant versera aux intimés, solidairement entre eux, la somme de 2'000 fr. à titre de dépens.
4. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties, au Département de l'urbanisme de la République et canton de Genève, au Département de l'intérieur, de la mobilité et de l'environnement de la République et canton de Genève, et à la Cour de justice de la République et canton de Genève, Chambre administrative, 1ère section.
Lausanne, le 23 janvier 2013
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Arn