Faits:
A. Depuis 1965, Y._ SA et Z._ sont locataires d'une arcade commerciale et d'un bureau dans l'immeuble sis ..., à Genève. Le restaurant "A._" est exploité dans ces locaux; Y._ SA, dont Z._ est l'administratrice unique, est propriétaire du fonds de commerce.
Entre le 1er novembre 1999 et le 30 juin 2001, les baux ont été brièvement transférés à une société tierce. En date du 29 juin 2001, la Société anonyme X._, bailleresse, a conclu deux nouveaux contrats avec Y._ SA et Z._; il n'est pas contesté que le bail portant sur le bureau est lié à celui relatif à l'arcade. En dernier lieu, le loyer annuel brut a été fixé à 74'204 fr.40 pour l'arcade et à 7'812 fr. pour le bureau.
Depuis 2001, V._ exploite le restaurant en gérance libre. En contrepartie, il verse mensuellement aux locataires, en sus des loyers de l'arcade et du bureau, un montant de 3'000 fr. pour l'exploitation du commerce et un montant de 2'000 fr. pour la gestion administrative du restaurant.
En 2004, la propriétaire de l'immeuble a entrepris d'importants travaux de rénovation des façades. A la même époque, les locataires se sont plaints auprès de la bailleresse de divers défauts, dont l'absence de climatisation. Un échange de correspondance a eu lieu entre la régie en charge de l'immeuble et les locataires. Dans l'un de ces courriers, la régie a refusé d'accorder une réduction de loyer aux locataires pour les nuisances liées au chantier de rénovation, au motif que des travaux à plus-value avaient été entrepris dans le restaurant, à savoir l'installation d'une climatisation. Finalement, par courrier du 14 novembre 2008, la bailleresse a accepté de verser aux locataires une indemnité de 5'812 fr., représentant un mois de loyer net de l'arcade, à titre de dédommagement pour les nuisances subies pendant le chantier. La plupart des autres locataires de l'immeuble ont également reçu une indemnité équivalant à un mois de loyer.
Par avis officiels du 5 mars 2009, la bailleresse a résilié les baux de l'arcade et du bureau pour leur échéance contractuelle du 31 décembre 2011, respectivement du 31 janvier 2011.
B. Par requêtes du 3 avril 2009, Y._ SA et Z._ ont contesté les congés. Elles faisaient valoir en particulier que les résiliations devaient être annulées parce qu'elles avaient été notifiées dans les trois ans après une entente des parties au sujet d'une réduction de loyer. Devant la Commission de conciliation en matière de baux et loyers, la Société anonyme X._ a exposé que les baux avaient été résiliés au motif que les locaux avaient été sous-loués à l'exploitant du restaurant à des conditions abusives. Par décisions du 18 mai 2011, la Commission de conciliation a annulé les congés.
La bailleresse a saisi le Tribunal des baux et loyers du canton de Genève, concluant à la validation des résiliations et au refus de toute prolongation des baux. Pour justifier les congés, elle a invoqué à nouveau les conditions de sous-location qu'elle estimait abusives et ajouté qu'elle avait le projet d'installer dans les locaux litigieux un établissement proposant de la cuisine italienne de haut niveau.
Par jugement du 25 novembre 2011, le Tribunal des baux et loyers a annulé les congés. Il a considéré que le caractère abusif des conditions de la sous-location n'avait pas été établi et que le second motif de congé apparaissait avoir été avancé uniquement pour les besoins de la cause.
Statuant le 8 octobre 2012 sur appel de la bailleresse, la Chambre des baux et loyers de la Cour de justice du canton de Genève a confirmé le jugement du 25 novembre 2011 avec une motivation différente. Elle a jugé que les congés devaient être annulés sur la base de l'art. 271a al. 1 let. e et al. 2 CO, car ils étaient intervenus moins de trois ans après le courrier du 14 novembre 2008 dans lequel la bailleresse acceptait, après un abondant échange de correspondance, une réduction de loyer en raison des nuisances provoquées par le chantier de rénovation.
C. La Société anonyme X._ interjette un recours en matière civile. Elle demande principalement au Tribunal fédéral de déclarer valables les congés notifiés le 5 mars 2009 et de refuser toute prolongation de bail. A titre subsidiaire, elle conclut au renvoi de la cause à la cour cantonale pour nouvelle instruction dans le sens des considérants.
Dans leur réponse, Y._ SA et Z._ proposent le rejet du recours.
La recourante a déposé une réplique, suivie d'ultimes observations des intimées.
Pour sa part, la Chambre des baux et loyers se réfère aux considérants de son arrêt.
Considérant en droit:
1. 1.1 Interjeté par la partie qui a succombé dans ses conclusions tendant à faire constater la validité du congé (cf. art. 76 al. 1 LTF), dirigé contre une décision finale (art. 90 LTF) rendue en matière civile (art. 72 al. 1 LTF) par une autorité cantonale de dernière instance statuant sur recours (art. 75 LTF) dans une affaire pécuniaire dont la valeur litigieuse atteint le seuil de 15'000 fr. requis en matière de bail à loyer (art. 74 al. 1 let. a LTF; ATF 137 III 389 consid. 1.1 p. 390; 136 III 196 consid. 1.1 p. 197), le recours est en principe recevable puisqu'il a été déposé dans le délai (art. 45 al. 1 et art. 100 al. 1 LTF) et la forme (art. 42 LTF) prévus par la loi.
1.2 Le recours peut être interjeté pour violation du droit, tel qu'il est délimité par les art. 95 et 96 LTF. Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (art. 106 al. 1 LTF). Il n'est donc limité ni par les arguments soulevés dans le recours, ni par la motivation retenue par l'autorité précédente; il peut admettre un recours pour un autre motif que ceux qui ont été invoqués et il peut rejeter un recours en adoptant une argumentation différente de celle de l'autorité précédente (ATF 137 II 313 consid. 1.4 p. 317 s.; 135 III 397 consid. 1.4 p. 400). Compte tenu de l'exigence de motivation contenue à l'art. 42 al. 1 et 2 LTF, sous peine d'irrecevabilité (art. 108 al. 1 let. b LTF), le Tribunal fédéral n'examine en principe que les griefs invoqués; 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 (ATF 135 II 384 consid. 2.2.1 p. 389; 135 III 397 consid. 1.4 p. 400). Par exception à la règle selon laquelle il applique le droit d'office, le Tribunal fédéral ne peut entrer en matière sur la violation d'un droit constitutionnel ou sur une question relevant du droit cantonal ou intercantonal que si le grief a été invoqué et motivé de manière précise par la partie recourante (art. 106 al. 2 LTF).
1.3 Le Tribunal fédéral conduit son raisonnement juridique sur la base des faits établis par l'autorité précédente (art. 105 al. 1 LTF). Il ne peut s'en écarter que si les faits ont été établis de façon manifestement inexacte - ce qui correspond à la notion d'arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. (ATF 137 I 58 consid. 4.1.2 p. 62; 137 II 353 consid. 5.1 p. 356) - ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF (art. 105 al. 2 LTF).
La partie recourante qui entend remettre en cause les constatations de l'autorité précédente doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions d'une exception prévue par l'art. 105 al. 2 LTF seraient réalisées, faute de quoi il n'est pas possible de tenir compte d'un état de fait qui diverge de celui contenu dans la décision attaquée (ATF 137 II 353 consid. 5.1 p. 356; 136 I 184 consid. 1.2 p. 187). Une rectification de l'état de fait ne peut être demandée que si elle est de nature à influer sur le sort de la cause (art. 97 al. 1 LTF).
1.4 Aucun fait nouveau ni preuve nouvelle ne peut être présenté à moins de résulter de la décision de l'autorité précédente (art. 99 al. 1 LTF). Toute conclusion nouvelle est irrecevable (art. 99 al. 2 LTF).
2. 2.1 Invoquant l'art. 97 al. 1 LTF, la recourante soutient que la cour cantonale a établi les faits de manière lacunaire et, partant, arbitraire en ne constatant pas que l'indemnité correspondant à un mois de loyer avait été proposée par la bailleresse à tous les locataires de l'immeuble, comme la lettre du 2 septembre 2008 du propre conseil des intimées l'indique. A lire le recours, ce point serait essentiel, car il démontrerait que le versement de l'indemnité aux intimées est intervenu sur la base d'une démarche volontaire de la bailleresse.
2.2 La recourante est malvenue de prétendre que l'indemnité équivalant à un mois de loyer a été offerte à tous les locataires de l'immeuble, alors que le contraire résulte expressément de la réponse du 3 octobre 2008 fournie par sa représentante, la Régie T._, à la suite de la lettre précitée du 2 septembre 2008. En se bornant à constater que la plupart des locataires de l'immeuble se sont vu accorder une indemnité correspondant à un mois de loyer, la cour cantonale n'a pas établi les faits de manière arbitraire.
3. La recourante est d'avis que la cour cantonale a violé l'art. 271a al. 2 CO en jugeant que les congés étaient intervenus pendant une période de protection légale. Elle conteste que les parties se soient trouvées en désaccord sur une prétention découlant du bail ou que la bailleresse ait fait une concession par rapport à sa position initiale à propos de l'indemnisation des nuisances liées aux travaux de réfection. Elle fait valoir que la remise d'un mois de loyer accordée aux intimés concrétisait une démarche volontaire de sa part, prévue dès l'origine en faveur de l'ensemble des locataires. L'installation de la climatisation dans l'arcade louée résulterait également d'une offre spontanée de la bailleresse dans le cadre des compensations qu'elle avait elle-même souhaitées en raison des grands travaux réalisés dans l'immeuble. Il n'y aurait donc pas eu de négociation aux fins de mettre un terme à un litige spécifique, mais simplement l'exécution d'un processus fixé dès le départ par la société propriétaire, qui n'a accordé rien de plus que ce qu'elle avait en vue.
3.1 Selon l'art. 271a al. 1 let. e ch. 4 CO, le congé est annulable s'il est donné dans les trois ans à compter de la fin d'une procédure de conciliation ou d'une procédure judiciaire au sujet du bail, si le bailleur a alors conclu une transaction ou s'est entendu de toute autre manière avec le locataire. L'art. 271a al. 2 CO étend l'application de cette règle au cas où le locataire peut prouver par des écrits qu'il s'est entendu avec le bailleur, en dehors d'une procédure de conciliation ou d'une procédure judiciaire, sur une prétention relevant du bail.
L'entente au sens de l'art. 271a al. 2 CO est un arrangement amiable par lequel les parties règlent un différend de manière définitive. Par conséquent, l'art. 271a al. 2 CO ne s'applique pas lorsqu'il n'y a pas de litige, parce que l'une ou l'autre des parties donne directement suite à la requête de son cocontractant (ATF 130 III 563 consid. 2.1 p. 566 s.). Savoir s'il y a eu litige, puis entente est une question de droit que le Tribunal fédéral examine librement sur la base des faits constatés (cf. ATF 130 III 563 consid. 3 p. 568 ss).
3.2 La version présentée par la recourante ne correspond pas à l'état de fait retenu par la cour cantonale. Il a déjà été relevé que le fait prétendument omis arbitrairement - l'offre faite à tous les locataires de leur rembourser un mois de loyer - était qualifié d'inexact par la propre représentante de la bailleresse. Ceci posé, il ressort effectivement des faits établis dans l'arrêt attaqué que l'échange de correspondance entre les parties - ou plus précisément leurs représentants - a porté notamment sur le dédommagement pour les nuisances subies pendant le chantier de rénovation. Ainsi, dans sa lettre du 12 novembre 2007, la régie a répondu au conseil des intimées - qui entendait alors obtenir une proposition de réduction du loyer - que le dédommagement était intervenu sous forme de l'installation d'une climatisation dans le restaurant. Par pli du 2 septembre 2008, l'avocat des intimées a contesté cette manière de voir et réclamé le remboursement d'un mois de loyer à titre d'indemnisation pour les travaux de rénovation. La bailleresse accédera finalement à cette demande selon courrier de la régie du 14 novembre 2008. Il ressort de ces éléments écrits que les parties étaient en litige à propos de l'ampleur du dédommagement pour les nuisances liées au chantier et qu'elles ont abouti à une solution amiable à la suite de la concession de la recourante. En particulier, les locataires n'ont pas vu leur demande de réduction de loyer immédiatement agréée par la bailleresse qui, dans un premier temps, a prétendu que l'installation de la climatisation compensait l'indemnisation des nuisances. Dans ces circonstances, force est de conclure que les conditions d'application de l'art. 271a al. 2 CO sont réunies en l'occurrence et que la lettre du 14 novembre 2008 a fait naître le délai de protection légal de trois ans.
Le grief tiré d'une violation de l'art. 271a al. 2 CO doit dès lors être écarté.
4. Sur le vu de ce qui précède, la Chambre des baux et loyers n'a pas violé le droit fédéral en annulant les congés notifiés en date du 5 mars 2009.
Le recours peut être rejeté sans qu'il soit nécessaire d'examiner les autres griefs soulevés par la recourante, en rapport avec les motifs de la résiliation et la prolongation du bail.
5. La recourante, qui succombe, prendra à sa charge les frais judiciaires (art. 66 al. 1 LTF) et versera des dépens aux intimées (art. 68 al. 1 et 2 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 6'000 fr., sont mis à la charge de la recourante.
3. La recourante versera aux intimées, créancières solidaires, une indemnité de 7'000 fr. à titre de dépens.
4. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties et à la Chambre des baux et loyers de la Cour de justice du canton de Genève.
Lausanne, le 6 mars 2013
Au nom de la Ire Cour de droit civil
du Tribunal fédéral suisse
La Présidente: Klett
La Greffière: Godat Zimmermann