Faits:
A. Le docteur L._ exploite depuis 1993 un cabinet de médecine générale et radiologie à X._. Par lettre du 12 novembre 1998, la Commission mixte de l'Association des médecins du canton de Genève (AMG) et de la Fédération genevoise des assureurs-maladie (FGAM; aujourd'hui: Santésuisse) a informé le praticien - après l'avoir entendu - que ses factures d'honoraires dépassaient très sensiblement les valeurs moyennes de celles de ses confrères de même spécialité et lui a réclamé le remboursement de montants facturés en 1996 et 1997, jugés excessifs.
B. B.a Après un échange de correspondances entre la Commission mixte et le médecin qui n'a abouti à aucun accord, vingt-trois caisses-maladie, toutes regroupées au sein de la FGAM, ont saisi le Tribunal arbitral des assurances de la République et canton de Genève (ci-après: tribunal arbitral) et conclu au paiement, par le docteur L._, de 488'701 fr. avec intérêts à 5 % dès le 17 avril 2000 (pour 1998) et de 347'805 fr. avec intérêts dès le 5 septembre 2000 (pour 1999). Leur demande était fondée sur la différence entre les honoraires moyens tels qu'ils ressortaient des statistiques annuelles 1998 et 1999 du Concordat des assureurs-maladie suisses (CAMS) et la moyenne des honoraires facturés par le médecin au cours de ces deux années.
Par jugement du 16 septembre 2004, le tribunal arbitral a partiellement admis la demande et condamné le docteur L._ à rembourser aux caisses demanderesses, pour 1998, la somme de 443'872 fr. avec intérêts à 5 % dès le 10 décembre 1999 et, pour 1999, la somme de 303'841 fr. 20 avec intérêts à 5 % dès le 5 septembre 2000. Saisi d'un recours de l'intéressé contre ce jugement, le Tribunal fédéral des assurances l'a admis: par arrêt du 2 décembre 2005 (K 148/04), il a annulé le prononcé du tribunal arbitral, en lui renvoyant la cause pour instruction complémentaire et nouvelle décision au sens des considérants.
B.b A la suite de cet arrêt, le tribunal arbitral a tenu une audience de comparution personnelle des parties, puis entendu le docteur W._, médecin spécialisé en diabétologie et médecine interne, en qualité de témoin. Statuant le 21 novembre 2006, il a partiellement admis la demande des caisses-maladie et condamné le docteur L._ à leur payer les montants de 488'701 fr. pour l'année 1998 et 347'805 fr. pour l'année 1999, à charge de Santésuisse de répartir les montants entre elles.
C. L._ a interjeté un recours de droit administratif contre ce jugement dont il a demandé l'annulation. Sous suite de dépens, il a conclu au renvoi de la cause au tribunal arbitral pour complément d'instruction et nouveau jugement.
Les caisses-maladie intimées ont conclu au rejet du recours, avec suite de dépens. Quant à l'Office fédéral de la santé publique, il a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. La loi fédérale sur le Tribunal fédéral du 17 juin 2005 (LTF; RS 173.110) est entrée en vigueur le 1er janvier 2007 (RO 2006 1205, 1242). L'acte attaqué ayant été rendu avant cette date, la procédure reste régie par l'OJ (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 1.2 p. 395).
2. Dans son arrêt rendu le 2 décembre 2005 entre les parties (K 148/04), le Tribunal fédéral des assurances a exposé les règles légales et jurisprudentielles applicables au présent cas, notamment en ce qui concerne le pouvoir d'examen du Tribunal fédéral ainsi que, sur le fond, les conditions auxquelles le fournisseur de prestations de l'assurance obligatoire des soins est tenu de restituer les sommes reçues à raison de traitements jugés non économiques qu'il a prodigués, de même que les méthodes de calcul pour établir l'existence de la polypragmasie, en particulier la méthode statistique (considérants 2 et 3). Il suffit d'y renvoyer.
3. 3.1 Dans l'arrêt du 2 décembre 2005, le Tribunal fédéral des assurances a retenu que le recourant ne pouvait se prévaloir ni d'une formation particulière par rapport à ses confrères généralistes, ni de la composition de sa clientèle - atypique selon lui pour un généraliste - afin d'exiger que le groupe de référence, dans l'application de la méthode statistique, ne soit pas celui des médecins généralistes (avec radiologie), mais celui de «diabétologues à même de prescrire des régimes nutritionnels». Il a en revanche considéré que l'argumentation du recourant relative aux besoins particuliers de sa clientèle pouvaient éventuellement justifier un coût moyen supérieur à la moyenne et conduire, en conséquence, à prendre en compte une marge supplémentaire s'ajoutant au seuil de tolérance, conformément à sa jurisprudence (voir consid. 6.3 non publié de l'<ref-ruling>; RAMA 1993 n° K 908 p. 38 consid. 6a, 1986 n° K 654 p. 4 consid. 4c; arrêts K 9/99 du 29 juin 2001, consid. 6c et K 152/98 du 18 octobre 1999). Ce point n'avait toutefois pas été examiné de façon conforme au droit par le tribunal arbitral: pour déterminer le coût moyen par cas du recourant selon la méthode statistique, celui-ci s'était en effet limité à accorder une marge supplémentaire de 10 % s'ajoutant au seuil-limite de tolérance de 130 % sans motiver ce résultat, ni se fonder sur des faits dont il aurait vérifié la réalité au préalable. La cause avait en conséquence été renvoyée au tribunal arbitral pour instruction complémentaire, cas échéant sur l'existence de particularités liées à la composition de la clientèle du docteur L._, et nouveau jugement dûment motivé.
3.2 Conformément à cet arrêt - et comme l'a retenu à juste titre le tribunal arbitral -, le seul point litigieux porte sur le point de savoir si le recourant peut se prévaloir de particularités liées à sa pratique médicale qui justifieraient un coût moyen plus élevé et, partant, l'admission d'une marge supplémentaire ajoutée à la marge de tolérance de 130 % retenue initialement par le tribunal arbitral.
3.2.1 Constatant que le recourant traitait de nombreux malades souffrant de maladies chroniques, tels que le diabète, ou d'autres troubles du métabolisme, les premiers juges ont nié que la composition de sa clientèle différait fondamentalement de celle de ses confrères, spécialistes en médecine interne et endocrinologie. Ils ont par ailleurs constaté que la moyenne d'âge des patients du recourant était à peine plus élevée que celle de ses collègues du groupe 50 et moins élevée que celle de ses collègues du groupe 56 et renoncé à d'autres mesures probatoires. Le tribunal administratif a encore relevé que selon les statistiques, le coût moyen par cas du groupe 56 (médecine interne, spécialisation en endocrinologie, avec radiologie) pour le canton X._ était inférieur à celui du groupe 50 retenu pour l'examen de la situation du docteur L._, de sorte qu'il aurait été défavorable à celui-ci. Ajoutant qu'il n'existait pas de statistiques pour le groupe d'endocrinologues avec radiologie pour le canton X._, les premiers juges ont précisé au demeurant que la radiologie n'était pas déterminante pour des patients souffrant de diabètes, ainsi que l'avait confirmé le témoin W._.
Compte tenu de ces circonstances, le tribunal arbitral a considéré que les particularités dont faisait état le recourant étaient déjà comprises dans la marge de sécurité de 30 % et qu'une marge supplémentaire à l'indice de 130 ne se justifiait pas. Aussi, le recourant ayant contrevenu au principe de l'économicité, il était tenu de rembourser aux caisses-maladie concernées la différence résultant du coût moyen par malade du groupe 50 selon les statistiques, majoré de 30 % et la moyenne des honoraires facturés au cours des années 1998 et 1999, soit un total de 488'071 fr. pour la première année et 347'805 fr. pour l'année 1999.
3.2.2 Invoquant une violation du droit d'être entendu et du principe de l'égalité de traitement, ainsi que l'arbitraire du jugement entrepris, le recourant reproche aux premiers juges d'avoir refusé de donner suite à des mesures probatoires, en particulier la nomination d'un expert, pour déterminer s'il existait, in concreto, des circonstances particulières susceptibles d'affecter l'homogénéité [de sa clientèle] et de justifier une différence de coût.
3.2.3 Pour justifier l'absence de particularités dans la composition de la clientèle du recourant en tant que facteur permettant d'appliquer une marge supplémentaire à l'indice-limite de tolérance dans le calcul des coûts, les premiers juges ont constaté pour l'essentiel que même s'il traitait de nombreux malades souffrant de maladies chroniques, le docteur L._ ne soignait pas une clientèle dont la composition différait «fondamentalement de celle de ses confrères, spécialistes en médecine interne et endocrinologie», car tous soignaient, eu égard à leur spécialisation, des malades souffrant d'affections chroniques. Selon eux, si le recourant avait davantage de malades diabétiques, il avait moins de malades souffrant d'autres affections chroniques.
Il ressort de ces considérations que le tribunal arbitral a essentiellement tiré argument d'une comparaison de la situation du recourant du point de vue de sa clientèle avec celle des spécialistes en endocrinologie, pour en nier la spécificité. Comme l'a cependant relevé le tribunal arbitral lui-même - et le recourant ne conteste à juste titre pas ce point en instance fédérale - la comparaison de la pratique du docteur L._ doit se faire avec celle du groupe des médecins généralistes (groupe 50) et non pas avec celle des spécialistes en médecine interne et endocrinologie, qui font l'objet d'une catégorie séparée (groupe 56, avec appareil de radiologie) dans les statistiques de la CAMS. Une fois défini, le groupe de référence reste évidemment le même, que ce soit pour l'analyse des coûts ou l'examen des particularités de la pratique médicale, lequel vise à tenir compte d'éventuelles caractéristiques singulières dans les prestations médicales fournies par le médecin en cause qui le font en quelque sorte sortir de la norme générale de son groupe de spécialités et justifient un volume d'honoraires plus important en comparaison (Gebhard Eugster, Wirtschaftlichkeitskontrolle ambulanter ärztlicher Leistungen mit statistischen Methoden, thèse Zurich 2002, n. 663 p. 230). La comparaison effectuée par le tribunal arbitral avec un autre groupe de médecins que le groupe de référence relève dès lors d'une constatation manifestement inexacte des faits.
En ce qui concerne par ailleurs la composition de la clientèle du recourant, le tribunal arbitral s'est limité à admettre qu'il traitait de «nombreux malades souffrant de maladies chroniques, tels que le diabète, ou d'autres troubles du métabolisme». Il n'a toutefois pas précisé sur quels éléments de preuve il se fondait, de sorte qu'on ignore s'il a admis - sans autre examen - les données fournies par le recourant, selon lesquelles 45,5 % de sa clientèle en 1998 souffraient de troubles du métabolisme. La constatation des faits effectuée par le tribunal arbitral apparaît encore lacunaire dans la mesure où il n'a pas pris position par rapport aux éléments ressortant de l'audition du docteur W._. Selon le témoin, les patients diabétiques nécessitaient davantage de consultations, en raison de leur fragilité et des facteurs de risques plus élevé que d'autres malades. Le docteur W._ a également fait état d'un nombre apparemment élevé («beaucoup de patients») de patients étrangers ayant consulté le docteur L._. Or, il s'agit là d'éléments qui peuvent, à certaines conditions, justifier un coût moyen plus élevé. On rappellera que la jurisprudence a ainsi admis parmi les particularités permettant d'ajouter une marge supplémentaire à la marge de tolérance (pour une énumération, voir consid. 6.3 non publié de l'<ref-ruling>) une clientèle composée d'un nombre plus élevé que la moyenne de patients nécessitant souvent des soins médicaux (RAMA 1993 n° K 908 p. 38 consid. 6a, 1986 n° K 654 p. 4 consid. 4c) ou de patients étrangers (arrêt K 9/99 du 29 juin 2001; voir aussi, Eugster, op. cit., n. 687 ss, p. 236 et n. 709, p. 242 sv.).
3.2.4 Il résulte de ce qui précède que les faits de la cause n'ont pas été constatés de manière complète, de sorte que le Tribunal fédéral n'est pas en mesure de se prononcer en connaissance de cause. Il convient donc d'annuler le jugement entrepris et de renvoyer la cause au tribunal arbitral pour qu'il procède conformément au droit et rende un nouveau jugement.
A cette occasion, il lui appartiendra de se prononcer en prenant en considération la jurisprudence récente en matière de polypragmasie. Dans un arrêt du 9 octobre 2006, publié aux <ref-ruling>, le Tribunal fédéral des assurances a modifié sa jurisprudence concernant le recours à la méthode statistique (ou méthode de comparaison des coûts moyens) lors de l'examen de l'économicité du traitement médical, en ce sens que c'est l'indice de l'ensemble des coûts qui est en principe déterminant, les domaines des frais médicaux et des frais de médicaments ne devant plus être examinés séparément.
4. La présente procédure, qui n'a pas pour objet l'octroi ou le refus de prestations d'assurance, est onéreuse (art. 132 OJ a contrario). Les frais de justice seront dès lors supportés par les intimées qui succombent (art. 156 al. 1 en corrélation avec l'art. 135 OJ). Compte tenu de l'issue du litige, le recourant, représenté par un avocat, a droit à des dépens à la charge des intimées (art. 159 al. 1 OJ).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est admis et le jugement du Tribunal arbitral des assurances de la République et canton de Genève du 21 novembre 2006 est annulé, la cause étant renvoyée à ce tribunal pour qu'il procède conformément aux considérants.
2. Les frais de justice, d'un montant de 13'000 fr. sont mis à la charge des intimées.
3. L'avance de frais versée par le recourant, de 13'000 fr., lui est restituée.
4. Les intimées verseront au recourant la somme de 2500 fr. (y compris la taxe sur la valeur ajoutée) à titre de dépens pour l'instance fédérale.
5. Le présent arrêt sera communiqué aux parties, au Tribunal arbitral des assurances de la République et canton de Genève et à l'Office fédéral de la santé publique.
Lucerne, le 23 juillet 2007
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière: