Faits:
A. X._ SA, précédemment A._ SA, est inscrite au Registre du commerce du canton de Vaud depuis le *** 2006. Elle est détenue par la société étrangère B._ et dispose d'un capital-actions de CHF 83'636'500.-.
Le 11 mars 2005, le Département des finances du canton de Vaud a exonéré totalement X._ SA de l'impôt sur le bénéfice et le capital, pour une période de dix ans, sous diverses charges et conditions. Le 1er février 2006, le Département fédéral de l'économie a exonéré la société de l'impôt fédéral direct dès le 1er février 2006, pour une période de dix ans, à raison de 60 %, sous diverses charges et conditions. Si certaines conditions supplémentaires étaient remplies, l'exonération pouvait par ailleurs atteindre 80 %.
B. Le 12 décembre 2011, l'Office d'impôt des personnes morales de l'Administration cantonale des impôts du canton de Vaud (ci-après l'Administration cantonale) a rendu trois décisions de taxation relatives aux périodes 2007, 2008 et 2009, concernant l'impôt fédéral direct dû par X._ SA. II a fixé l'impôt à respectivement CHF 132'577'554.65 pour 2007, CHF 33'179'014.35 pour 2008 et CHF 46'442'073.40 pour 2009.
L'Administration fédérale des contributions (ci-après l'Administration fédérale) a recouru contre les trois décisions précitées au Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après le Tribunal cantonal). Pendant l'échange des écritures, l'Administration cantonale a, le 22 mars 2012, rendu trois nouvelles décisions de taxation, remplaçant celles du 12 décembre 2011. Elle a fixé le montant de l'impôt à respectivement CHF 265'155'109.30 pour 2007, CHF 66'358'028.70 pour 2008 et CHF 92'884'146.80 pour 2009.
Par arrêt du 6 juin 2012, le Tribunal cantonal a constaté que le recours était devenu sans objet et rayé la cause du rôle. Il a, en substance, considéré qu'en application des dispositions de la procédure administrative vaudoise, l'autorité intimée pouvait modifier la décision attaquée, ce qui pouvait avoir pour conséquence de priver le recours de son objet, et rejeté l'ensemble des arguments soulevés par X._ SA, qui s'opposait au classement du recours.
C. Par acte du 3 juillet 2012, X._ SA dépose un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral. Elle conclut, sous suite de frais et dépens, principalement, à ce que l'arrêt du 6 juin 2012 soit annulé et la reprise de la procédure par-devant le Tribunal cantonal ordonnée. Subsidiairement, elle requiert la transmission de la cause au Tribunal administratif fédéral comme objet de sa compétence.
Les autorités cantonales et fédérales ont été invitées à déposer leurs dossiers sans échange d'écritures.
Considérant en droit:
1. Le recours est dirigé contre une décision rendue dans une cause de droit public (cf. art. 82 let. a LTF), par une autorité cantonale supérieure de dernière instance (cf. art. 86 al. 1 let. d et al. 2 LTF) sans qu'aucune des exceptions prévues à l'art. 83 LTF ne soit réalisée, de sorte que la voie du recours en matière de droit public est en principe ouverte. Dès lors qu'elle conduit à la clôture définitive de l'affaire pour un motif tiré des règles de la procédure (cf. ATF 129 III 107 consid. 1.2.1 p. 110, arrêt 2C_745/2010 du 31 mai 2011 consid. 1.1 non publié aux ATF 137 I 296), la décision de radiation constitue une décision finale au sens de l'art. 90 LTF. La recourante a participé à la procédure devant l'instance précédente, est particulièrement atteinte par la décision entreprise en tant que contribuable et a un intérêt digne de protection à son annulation ou à sa modification. Elle a ainsi qualité pour recourir (cf. art. 89 al. 1 LTF). Déposé en temps utile et dans les formes requises (cf. art. 42 al. 1 et 2 et art. 100 al. 1 LTF), le recours est par conséquent recevable.
2. Sous réserve de cas non réalisés en l'espèce (cf. art. 95 let. c et d LTF), le Tribunal fédéral ne revoit pas le droit cantonal en tant que tel, à moins que son application se révèle contraire au droit fédéral, qui comprend le droit constitutionnel (cf. art. 95 let. a LTF). Le Tribunal fédéral n'examine toutefois pas cette question d'office, mais uniquement si le grief est soulevé et dûment motivé par le recourant (cf. art. 106 al. 2 LTF). Celui-ci doit énoncer le droit ou principe constitutionnel violé et exposer de manière claire et circonstanciée en quoi consiste la violation (cf. ATF 134 II 244 consid. 2.2. p. 246).
3. La recourante invoque une violation du droit d'être entendu.
3.1 Le droit d'être entendu est une garantie constitutionnelle de nature formelle ancrée à l'art. 29 al. 2 Cst., dont la violation entraîne l'annulation de la décision attaquée sans égard aux chances de succès du recours sur le fond (cf. ATF 135 I 279 consid. 2.6.1 p. 285), de sorte qu'il convient de commencer par son examen.
Le droit d'être entendu garantit notamment le droit pour une partie à un procès de prendre connaissance de toute argumentation présentée au tribunal et de se déterminer à son propos, que celle-ci contienne ou non de nouveaux éléments de fait ou de droit, et qu'elle soit ou non concrètement susceptible d'influer sur le jugement à rendre. Toute prise de position ou pièce nouvelle versée au dossier doit dès lors être communiquée aux parties pour leur permettre de décider si elles veulent ou non faire usage de leur faculté de se déterminer (cf. ATF 137 I 195 consid. 2.3.1 p.197).
3.2 La recourante estime que le Tribunal cantonal n'a pas tenu compte du fait que l'Administration cantonale a rendu ses nouvelles décisions avant même que la société contribuable ait pu se déterminer sur les griefs de l'Administration fédérale, de sorte qu'il n'a pas été possible pour la recourante de s'exprimer sur les modifications décidées par l'Administration cantonale et sur les motifs qui l'ont amenée à revenir sur ses premières taxations. Ce faisant, elle se trompe de litige. En effet, ainsi qu'on va le voir (cf. infra consid. 4.4), les décisions de taxation du 22 mars 2012 ont valablement remplacé les décisions du 12 décembre 2011. Tout argument dirigé contre les nouvelles décisions de taxation devait ainsi être invoqué, le cas échéant, dans la procédure de recours dont ces décisions pouvaient faire l'objet. En ce qui concerne les décisions de taxation du 12 décembre 2011, la seule question qui se posait après le prononcé des décisions du 22 mars 2012 portait sur le sort de la procédure de recours dont elles faisaient l'objet. Or, la société contribuable a été dûment invitée, le 28 mars 2012, par le Tribunal cantonal, à se déterminer à ce sujet. Dans ces conditions, le grief de violation du droit d'être entendu doit être rejeté.
4. La recourante conteste que les décisions de taxation rendues le 22 mars 2012 aient pu remplacer valablement les décisions attaquées du 12 décembre 2011. Elle estime que le Tribunal cantonal aurait dû considérer les nouvelles décisions comme de simples déterminations de l'Administration cantonale sur les recours de l'Administration fédérale et poursuivre le traitement de la cause au fond. Elle se plaint d'une violation des règles de procédure posées par les art. 141 ss LIFD (RS 642.11), ainsi que d'une application arbitraire de l'art. 83 de la loi vaudoise sur la procédure administrative du 28 octobre 2008 (LPA-VD; RS/VD 173.36).
4.1 L'art. 83 LPA-VD prévoit qu'en lieu et place de ses déterminations, l'autorité intimée peut rendre une nouvelle décision partiellement ou totalement à l'avantage du recourant (al. 1) et que, dans ce cas, l'autorité poursuit l'instruction du recours, dans la mesure où celui-ci n'est pas devenu sans objet (al. 2).
4.1 L'art. 83 LPA-VD prévoit qu'en lieu et place de ses déterminations, l'autorité intimée peut rendre une nouvelle décision partiellement ou totalement à l'avantage du recourant (al. 1) et que, dans ce cas, l'autorité poursuit l'instruction du recours, dans la mesure où celui-ci n'est pas devenu sans objet (al. 2).
4.2 4.2.1 La Constitution fédérale garantit aux cantons une large autonomie en matière d'organisation et de procédure. Ceux-ci sont en principe libres de s'organiser comme ils l'entendent et de répartir le pouvoir cantonal entre les organes qu'ils instituent (art. 1, 3 et 47 Cst.). L'autonomie constitutionnelle des cantons n'est cependant pas absolue. Elle est limitée par la Constitution fédérale elle-même, les lois fédérales et la jurisprudence. S'agissant de la mise en oeuvre du droit fédéral, la Confédération doit certes laisser aux cantons "une marge de manoeuvre aussi large que possible" et tenir compte de "leurs particularités" (art. 46 al. 2 Cst.): elle ne doit pas limiter sans nécessité la liberté d'action des cantons et, partant, restreindre leur souveraineté. Toutefois, lorsque les cantons sont chargés de l'exécution de la législation fédérale, celle-ci leur indique souvent quels organes et quelles procédures sont nécessaires à son exécution. C'est dire que, dans le domaine du fédéralisme d'exécution - tel que la perception de l'impôt fédéral direct -, le droit fédéral intervient souvent dans l'organisation administrative et judiciaire des cantons (ATF 130 II 65 consid. 5.1 p. 72 et les références citées).
4.2.2 En ce qui concerne la procédure en matière d'impôt fédéral direct, l'organisation des autorités cantonales d'exécution est régie par le droit cantonal, à moins que le droit fédéral n'en dispose autrement (art. 104 al. 4 LIFD). Lors de l'exécution du droit fiscal fédéral matériel, les cantons sont ainsi libres d'édicter les dispositions de procédure qu'ils jugent appropriées, dans la mesure où elles ne sont pas en contradiction avec les dispositions procédurales de droit fédéral (cf. ATF 111 Ib 201 consid. 3a et 3b p. 203 s. et les références citées). La législation fédérale contient des principes généraux qui s'appliquent à la procédure de recours telle que prévue aux art. 140 ss LIFD (cf. HUGO CASANOVA, in DANIELLE YERSIN/YVES NOËL (ÉD.), Commentaire romand de la LIFD, 2008, n° 2 ad Introduction aux art. 140-144 LIFD). Le contribuable doit ainsi pouvoir déposer une réclamation auprès de l'autorité de taxation (art. 132 al. 1 LIFD) et porter la décision sur réclamation auprès d'une autorité de recours indépendante (art. 140 al. 1 LIFD). De son côté, l'Administration fédérale peut interjeter recours contre toute décision de taxation ou décision sur réclamation devant la même autorité de recours indépendante (art. 141 al. 1 LIFD).
4.2.3 Le recours tel que prévu aux art. 140 ss LIFD est un moyen de droit ordinaire et suspensif, à l'effet dévolutif complet (cf. ULRICH CAVELTI, in MARTIN ZWEIFEL/PETER ATHANAS (ÉD.), Kommentar zum schweizerischen Steuerrecht I/2b, 2e éd. 2008, n° 1 ad art. 140 LIFD; CASANOVA, op. cit., n° 1 et 3 ad art. 140 LIFD). Selon la jurisprudence du Tribunal fédéral, en matière d'impôt fédéral direct, l'autorité fiscale est cependant en droit de revenir sur une décision de taxation jusqu'à l'échéance du délai de recours, sans être soumise à des conditions particulières. Elle peut en particulier rectifier la taxation au désavantage du contribuable (cf. ATF 121 II 273 consid. 1a/bb p. 278; arrêt 2C_156/2010 du 7 juin 2011 consid. 3.1 et les références citées). Cette jurisprudence s'inspire de l'art. 58 PA (RS 172.021), bien que cette disposition ne soit pas applicable à la procédure cantonale de recours (cf. ATF 111 Ib 201 consid. 3a p. 203 et les références citées). Aux termes de l'art. 58 PA, pendant la procédure de recours, l'autorité inférieure peut, jusqu'à l'envoi de sa réponse, procéder à un nouvel examen de la décision attaquée. La pratique va même plus loin encore et considère que l'autorité inférieure peut revenir sur une décision non seulement jusqu'à l'échéance du délai pour répondre au recours, mais aussi longtemps que la procédure est pendante devant l'autorité de recours (cf. AUGUST MÄCHLER, in CHRISTOPH AUER/MARKUS MÜLLER/BENJAMIN SCHINDLER (ÉD.), Kommentar zum Bundesgesetz über das Verwaltungsverfahren, 2008, n° 12 ad art. 58 PA; ANDRÉ MOSER/MICHAEL BEUSCH/LORENZ KNEUBÜHLER, Prozessieren vor dem Bundesverwaltungsgericht, 2008, n° 3.44 p. 126). Cette pratique répond à l'intérêt lié à l'économie de la procédure: si, sur le vu du recours, l'autorité administrative intimée s'aperçoit qu'elle s'est trompée dans l'application du droit, il se justifie qu'elle ait la possibilité de se raviser et de rendre une nouvelle décision plutôt que de persister dans une position qu'elle-même considère comme erronée (cf. ATF 127 V 228 consid. 2b/bb p. 232 s. et les références citées).
4.2.4 Une réglementation cantonale semblable à celle de l'art. 58 PA n'est pas contraire aux exigences procédurales prévues par la LIFD. Ainsi que la Cour de céans le relevait déjà à l'ATF 121 II 273, aussi longtemps que le sort d'une décision de taxation demeure incertain, le contribuable ne peut pas invoquer le principe de la sécurité du droit. Eu égard au grand nombre de décisions rendues en ce domaine, il s'impose en outre de rendre plus facile l'application du droit objectif par une procédure simple et rapide (cf. ATF 121 II 273, consid. 1a/bb p. 278).
Certains auteurs critiquent la possibilité dont dispose l'autorité de taxation de revoir sa décision durant le délai de recours (cf. CAVELTI, op. cit., n° 2 ad art. 140 LIFD; THOMAS MEISTER, Rechtsmittelsystem der Steuerharmonisierung, 1995, p. 161). La doctrine majoritaire l'approuve cependant (cf. FELIX RICHNER/WALTER FREI/STEFAN KAUFMANN/HANS ULRICH MEUTER, Handkommentar zum DBG, 2e éd. 2009, n° 8 ad VB zu art. 147-153a LIFD; KLAUS A. VALLENDER/MARTIN E. LOOSER, in MARTIN ZWEIFEL/PETER ATHANAS (ÉD.), Kommentar zum schweizerischen Steuerrecht I/2b, 2e éd. 2008, n° 1a ad Vor art. 147-153 LIFD; ERNST BLUMENSTEIN/PETER LOCHER, System des schweizerischen Steuerrechts, 6e éd. 2002, p. 418). Avec CASANOVA, il convient d'admettre que le droit cantonal de procédure peut permettre à l'autorité de taxation de modifier ou d'annuler la décision attaquée jusqu'à l'envoi de ses observations sur recours (cf. CASANOVA, op. cit., n° 3 ad art. 140 LIFD; MARTIN ZWEIFEL/HUGO CASANOVA, Schweizerisches Steuerverfahrensrecht - Direkte Steuern, 2008, n° 7 ad § 24). Le fait que l'art. 143 LIFD permette aussi à l'autorité cantonale de recours de modifier la taxation au désavantage du contribuable après avoir entendu celui-ci n'empêche par ailleurs pas l'autorité de taxation elle-même de rendre une nouvelle décision.
4.2.5 La réglementation de l'art. 83 LPA-VD est analogue à celle prévue à l'art. 58 PA. Elle est par conséquent admissible au regard des principes généraux de procédure en matière d'impôt fédéral direct. A fortiori son application en l'espèce ne saurait-elle donc être qualifiée d'arbitraire.
4.3 Encore faut-il s'interroger sur les conséquences des nouvelles décisions rendues le 22 mars 2012.
4.3.1 Selon l'art. 83 al. 2 LPA-VD, l'autorité doit poursuivre l'instruction du recours, dans la mesure où celui-ci n'est pas devenu sans objet. Cette conséquence n'est pas automatique (cf. ANDREA PFLEIDERER, in BERNHARD WALDMANN/PHILIPPE WEISSENBERGER, Praxiskommentar zum VwVG, 2009, n° 44 ad art. 58 PA) et il appartient à l'autorité de recours d'examiner dans quelle mesure tel est le cas (cf. FRANZ SCHLAURI, Neuverfügung lite pendente in der Rechtsprechung des EVG, in RENÉ SCHAFFHAUSER/FRANZ SCHLAURI (ÉD.), Aktuelle Rechtsfragen der Sozialversicherungspraxis, 2001, p. 193). Elle admettra que le recours est devenu sans objet lorsque la nouvelle décision crée un état de droit tel que l'intérêt juridique du recourant à ce qu'il soit statué sur le recours a disparu (cf. FELIX ADDOR, Die Gegenstandslosigkeit des Rechtsstreits, 1997, p. 137), ce qui arrive lorsque la nouvelle décision fait entièrement droit aux conclusions du recourant (cf. PFLEIDERER, op. cit., n° 45 ad art. 58 PA). Lors de cet examen, l'autorité de recours est liée par la nouvelle décision dans la mesure où elle correspond aux conclusions du recourant (cf. ROGER HISCHIER, Die Wiedererwägung pendente lite im Sozialversicherungsrecht, in RSAS 1997 p. 455). Lorsque la nouvelle décision ne donne que partiellement gain de cause au recourant, le recours n'est privé de son objet que dans la même mesure. L'instruction se poursuit pour les points encore litigieux (cf. MÄCHLER, op. cit., n° 18 ad art. 58 PA). Si la nouvelle décision aggrave la situation du recourant (reformatio in pejus), elle ne remplace pas la première, mais est considérée comme constituant le chef de conclusions de l'autorité intimée (cf. MÄCHLER, op. cit., n° 19 ad art. 58 PA).
4.3.2 Si la nouvelle décision aggrave la situation non pas du recourant mais de l'intimé, rien n'interdit à celui-ci de recourir contre la nouvelle décision (cf. ATF 126 III 85 consid. 3 p. 89), ouvrant de la sorte une nouvelle procédure de recours. Lorsque la nouvelle décision, rendue à la suite d'un recours et faisant droit aux conclusions du recourant, aggrave la situation d'un tiers intéressé qui en fait l'objet, la même règle doit s'appliquer dans la mesure où le droit cantonal lui donne qualité pour recourir. Il appartient alors à ce dernier de s'en prendre à la nouvelle décision selon les voies de droit ordinaires qui lui sont offertes. Cette manière de procéder est la seule à même de lui garantir le maintien de toutes les instances de recours. En effet, s'il devait faire valoir ses droits dans la procédure déjà pendante, introduite par un autre recourant, il se verrait priver d'une voire de deux instances de recours. En outre, il serait à la merci de l'autorité recourante qui pourrait, sous certaines conditions, choisir elle-même de mettre fin à l'instance en retirant son recours (cf. arrêt 2A.408/2002 du 13 février 2004 consid. 1.4).
4.3.3 Aux termes d'un examen approfondi, le Tribunal cantonal est arrivé à la conclusion que la protection offerte par l'art. 83 LPA-VD ne peut bénéficier qu'au recourant sur le plan cantonal, en l'espèce l'Administration fédérale, à l'exclusion d'autres parties. Cette analyse, qui fait application des principes précités, mérite d'être suivie. L'objet du litige se définit en effet en fonction des conclusions du recourant (cf. ATF 125 V 413 consid. 1b p. 414 s.; arrêt 2C_209/2011 du 15 novembre 2011 consid. 2.1). S'il a été fait droit à celles-ci, le litige perd son objet, peu importe que l'intimé se soit opposé aux conclusions de la partie recourante.
4.3.4 En l'espèce, en application des principes précités, l'Administration cantonale pouvait, pendant le délai qui lui avait été imparti pour répondre au recours, revenir sur ses décisions de taxation du 12 décembre 2011, même en défaveur de la société contribuable, dès lors que cette dernière n'avait pas recouru contre celles-ci. Si la contribuable avait interjeté recours, la nouvelle décision n'aurait pas remplacé la première, mais aurait été considérée comme constituant le chef de conclusions de l'autorité intimée (cf. supra consid. 4.3.1). Or, la société recourante n'ayant pas recouru contre les décisions du 12 décembre 2011, les nouvelles décisions les ont valablement remplacées. Par ailleurs, dans sa détermination du 20 avril 2012, l'Administration fédérale s'est déclarée entièrement satisfaite des nouvelles décisions, de sorte que, de son point de vue, le recours avait perdu son intérêt. Dans ces conditions, c'est à juste titre que le Tribunal cantonal a considéré que la procédure ouverte par le recours de l'Administration fédérale était devenue sans objet.
Le fait que les décisions de taxation du 22 mars 2012 ont aggravé la situation de la société contribuable n'est en revanche pas déterminant s'agissant de l'objet du litige pendant devant le Tribunal cantonal. Ainsi que l'a relevé avec pertinence ce dernier et conformément à la jurisprudence, la société contribuable, si elle ne souhaitait pas se satisfaire des décisions du 22 mars 2012, avait la possibilité d'emprunter les voies de recours qui lui étaient ouvertes et, dans un premier temps, de déposer une réclamation auprès de l'Administration cantonale. Dans cette nouvelle procédure de recours, elle pourrait faire valoir l'ensemble de ses arguments au fond. En revanche, elle ne pouvait plus faire valoir ces moyens dans la procédure de recours portant sur les décisions de taxation du 12 décembre 2011. C'est donc à juste titre que les juges cantonaux ont déclaré cette procédure sans objet et rayé la cause du rôle.
Au vu de ce qui précède, les griefs tirés de la violation des règles de procédure posées par les art. 141 ss LIFD ainsi que d'une application arbitraire de l'art. 83 LPA-VD, soulevés par la recourante, doivent être rejetés.
5. A titre subsidiaire, la recourante requiert la transmission de la cause au Tribunal administratif fédéral comme objet de sa compétence dans l'hypothèse où il devrait être considéré que la présente cause relève non pas d'une procédure de taxation fondée sur la LIFD mais d'une procédure menée en application de l'art. 23 de la loi fédérale sur la politique régionale du 6 octobre 2006 (LPR; RS 901.0), qui prévoit que les décisions des autorités administratives fédérales et les décisions cantonales de dernière instance rendues en application de cette loi peuvent faire l'objet d'un recours au Tribunal administratif fédéral.
Ainsi que la recourante elle-même le relève avec pertinence, les décisions qui sont à l'origine de la présente procédure constituent des décisions de taxation rendues par l'autorité fiscale compétente en application de la LIFD. Elles reposent certes sur des allégements fiscaux octroyés par les autorités fédérales et cantonales compétentes en application de l'art. 19 LPR. Cependant, alors que les décisions relatives au principe et aux conditions de l'allégement fiscal pouvaient faire l'objet d'un recours au Tribunal administratif fédéral (art. 23 LPR), les décisions de taxation rendues en application d'une décision d'allégement fiscal entrée en force suivent la voie ordinaire prévue en matière fiscale, procédure au cours de laquelle il conviendra d'examiner si nécessaire et à titre préjudiciel les décisions d'allégement fiscal rendues en application de la LPR, afin de déterminer si les conditions en sont remplies.
Les conclusions subsidiaires prises par la recourante doivent par conséquent également être rejetées.
6. Le recours en matière de droit public s'avère ainsi sans fondement et doit être rejeté.
Succombant sur l'ensemble de ses conclusions, la recourante doit supporter les frais judiciaires (art. 66 aI. 1 LTF) et n'a pas droit à des dépens (art. 68 al. 1 LTF).
L'Administration fédérale et l'Administration cantonale ne peuvent prétendre à des dépens (art. 68 al. 3 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, fixés à CHF 60'000.-, sont mis à la charge de la recourante.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire de la recourante, à l'Administration fédérale des contributions, Division principale DAT, à l'Administration cantonale des impôts du canton de Vaud et au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public.
Lausanne, le 28 août 2012
Au nom de la IIe Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Zünd
La Greffière: Beti