Faits:
A. X._, né en 1956, est depuis 1983 locataire d'un appartement de trois pièces et demie à .... Ce logement, qu'il occupe seul, fait partie d'un immeuble qui compte sept autres appartements dont cinq ont été rénovés ces dernières années à l'occasion de départs naturels des locataires. L'immeuble appartient en commun à Y._ et Z._ (bailleurs); le loyer mensuel actuel du locataire X._ s'élève à 900 fr.
Par courrier du 12 octobre 2010, la gérance a résilié le bail du locataire pour le 31 mars 2011, prochaine échéance contractuelle; une formule officielle de résiliation de bail était jointe à l'envoi recommandé. Sur requête, la gérance a communiqué les motifs du congé, à savoir la rénovation totale du logement et la location au prix du marché.
B. Le locataire a saisi la Commission de conciliation du district, concluant à l'annulation du congé au motif qu'il s'agissait d'un congé de représailles suite à ses remarques et revendications répétées depuis deux ans. Les bailleurs ont répondu que d'importants travaux devaient être effectués dans l'appartement, s'agissant notamment des colonnes de chute, de l'électricité, des toilettes et de la cuisine, et qu'il n'était pas possible que le locataire reste dans l'appartement durant les travaux; pour le surplus, ils ont nié agir par représailles et ont indiqué que le loyer actuel était totalement en-dessous des prix usuels dans le quartier. Par décision du 1er décembre 2010, la Commission de conciliation a retenu que le congé était valable et a accordé une prolongation de bail de quatre ans.
Saisi par le locataire, le Tribunal des baux a annulé la résiliation du bail par jugement du 18 avril 2011. Il a retenu que la rénovation projetée n'était pas commandée par des impératifs techniques et que le but final des bailleurs n'était pas de rénover l'appartement, mais de le relouer à un loyer supérieur; puis il a calculé qu'en tenant compte des frais de la rénovation prévue, le nouveau loyer maximal correspondant à un rendement non abusif serait à peine plus élevé que le loyer actuel. Il en a déduit que l'intérêt des bailleurs à obtenir cette minime augmentation de loyer était manifestement disproportionné au regard de l'intérêt du locataire à pouvoir continuer d'habiter l'appartement, alors qu'il l'occupait depuis 28 ans, qu'il était au chômage et souffrait de dépression.
Statuant sur appel des bailleurs, la Cour d'appel civile du Tribunal cantonal vaudois, sans procéder à des débats, a réformé le jugement attaqué, déclaré la résiliation de bail valable et accordé au locataire une seule et unique prolongation de bail de trois ans jusqu'au 31 mars 2014. Elle a retenu que le motif de résiliation invoqué, à savoir la rénovation totale du logement, n'était pas abusif et que le maintien du locataire dans l'appartement pendant les travaux n'était pas envisageable.
C. Le locataire (recourant) interjette un recours en matière civile au Tribunal fédéral; il conclut principalement à l'annulation du congé, subsidiairement à une prolongation de bail jusqu'au 31 mars 2015. Les bailleurs (intimés) concluent au rejet du recours. Tant le recourant que les intimés ont déposé une seconde écriture.

Considérant en droit:
1. La résiliation du bail pour le prochain terme ordinaire n'exige pas de motif particulier, ce même si elle entraîne des conséquences pénibles pour le locataire. Elle est annulable uniquement si elle contrevient aux règles de la bonne foi, ce qu'il appartient au locataire de prouver (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 2.1 p. 62). Les règles de la bonne foi sont violées lorsque la résiliation ne répond à aucun intérêt objectif, sérieux et digne de protection, est purement chicanière ou encore est fondée sur un motif qui ne constitue manifestement qu'un prétexte (<ref-ruling> consid. 2 p. 192).
La résiliation du bail en vue de vastes travaux d'assainissement de l'objet loué ne contrevient pas aux règles de la bonne foi. Il en va ainsi même si le locataire se dit prêt à rester dans l'appartement durant les travaux et à s'accommoder des inconvénients qui en résultent; car sa présence entraînera en règle générale des complications, des coûts supplémentaires ou une prolongation de la durée des travaux. La résiliation est contestable uniquement s'il apparaît que la présence du locataire ne compliquera pas les travaux, ou seulement de manière insignifiante, par exemple en cas de réfection des peintures ou en cas de travaux extérieurs tels qu'une rénovation de façade ou un agrandissement de balcon. La décision sur la nature et l'étendue de la rénovation est en principe l'affaire exclusive du propriétaire (<ref-ruling> consid. 4.2). En règle générale, celui-ci est donc en droit d'entretenir et d'améliorer l'état de son immeuble comme bon lui semble et de procéder à des travaux d'entretien ou de rénovation même s'ils ne sont pas urgents ou absolument nécessaires.
2. Le recourant s'en prend d'abord aux constatations des faits dans l'arrêt attaqué.
2.1 Le Tribunal fédéral statue sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<ref-law>); en tant que cour suprême, il est instance de révision du droit et non pas juge du fait. Il peut certes rectifier ou compléter les faits s'ils ont été établis de façon manifestement inexacte, notion qui correspond à l'arbitraire, ou en violation du droit au sens de l'<ref-law>. Néanmoins, cette exception à la règle selon laquelle le Tribunal fédéral ne revoit pas les faits ne permet pas aux parties de rediscuter dans leurs mémoires les faits de la cause comme si elles plaidaient devant un juge d'appel. La partie recourante qui entend faire rectifier ou compléter un fait doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions pour le faire seraient réalisées; à défaut, il ne peut être tenu compte d'un état de fait qui diverge de celui contenu dans la décision attaquée (<ref-ruling> consid. 6.2). En tant que le grief a trait au caractère arbitraire de l'établissement des faits, les exigences de motivation sont celles, plus strictes, de l'<ref-law> (<ref-ruling> consid. 1.4.3). Seules des constatations de fait dont la correction serait susceptible d'influer sur le sort de la cause peuvent être mises en cause (art. 97 al. 1 et art. 105 al. 2 LTF).
Dès lors, il n'y a pas à tenir compte des allégations du recourant qui s'écartent de l'état de fait de l'arrêt attaqué sans satisfaire aux exigences de motivation rappelées ci-dessus. En outre, dans la mesure où la critique du recourant porte sur la nécessité et l'urgence des travaux envisagés, il n'y a pas à entrer en matière faute de pertinence.
2.2 Le recourant reproche à la Cour d'appel de ne pas avoir compris le sens de l'expertise immobilière faite par l'expert A._ en 2004, laquelle visait uniquement à estimer la valeur vénale de l'immeuble des intimés et émettait des recommandations purement financières. La Cour d'appel aurait versé dans l'arbitraire en considérant sur la base de cette expertise que les travaux prévus dans l'appartement du recourant étaient nécessaires.
L'affirmation du recourant ne suffit pas à démontrer le caractère arbitraire de la conclusion tirée par la Cour d'appel; peu importe, au demeurant. En effet, la question de la nécessité ou de l'urgence des travaux est sans pertinence. En l'espèce, il suffit de constater que l'appartement n'a plus fait l'objet de travaux importants depuis 1983, soit depuis presque trente ans. Des travaux conséquents de remise en état et de modernisation ne sont dès lors nullement déraisonnables et ne prêtent pas à critique. Au demeurant, la Cour d'appel a relevé qu'en 2010, le recourant lui-même avait demandé divers travaux de réfection dans l'immeuble.
2.3 Le recourant reproche à la Cour d'appel d'avoir retenu de manière arbitraire que les autres appartements avaient fait l'objet de travaux importants, alors que les intimés n'avaient produit aucune pièce - en particulier aucune facture - qui aurait permis d'établir le prix et la nature des travaux effectués.
Il s'agit en l'espèce de déterminer dans quelle mesure la réalisation des travaux envisagés dans l'appartement du recourant serait compliquée par la présence de celui-ci dans les lieux. L'importance des travaux antérieurs dans les autres appartements est à cet égard sans pertinence; elle peut tout au plus être un élément pour juger de la sincérité des intentions de rénovation alléguées par les intimés.
La Cour d'appel a retenu que les intimés avaient rénové cinq appartements de trois pièces et demie pour des montants de respectivement 47'334 fr., 44'150 fr., 60'697 fr., 14'029 fr. et 47'123 fr., montants qu'elle a repris du jugement de première instance. Le Tribunal des baux avait retenu ces montants nonobstant le fait que les intimés n'avaient pas produit les factures correspondantes requises, ce dont il faut déduire qu'il a établi d'une autre manière le coût des rénovations passées. Le recourant n'a pas contesté les montants précités dans sa réponse à l'appel alors que les intimés y avaient expressément fait référence dans leur mémoire d'appel. On ne discerne pas en quoi la Cour d'appel serait tombée dans l'arbitraire en reprenant des chiffres, tirés du jugement de première instance, qu'aucune partie ne contestait devant elle.
De ces chiffres, on peut conclure que les intimés ont procédé à des travaux importants allant clairement au-delà d'un simple rafraîchissement, sans qu'il importe de définir exactement le détail des travaux pour chaque appartement. Il n'y a, sous cet aspect, aucun motif de douter de l'intention des intimés de procéder à des travaux d'importance équivalente dans l'appartement occupé par le recourant.
2.4 Le recourant fait grief à la Cour d'appel d'avoir versé dans l'arbitraire en retenant que des travaux nécessaires devaient être accomplis dans son appartement et que leur nature et leur ampleur rendaient impossible sa présence dans les locaux. Il relève en particulier que les intimés n'ont pas produit de devis.
Les intimés ont allégué que les travaux envisagés concernaient le remplacement des colonnes de chute et du réseau d'eau, la réfection complète de la cuisine et de la salle de bain, la mise aux normes de l'installation électrique, la peinture de tout l'appartement et la vitrification du parquet. La Cour d'appel a retenu que cette allégation correspondait à la réelle intention des intimés. Au vu des travaux comparables faits dans d'autres appartements, cette conclusion n'apparaît nullement insoutenable, même en l'absence de devis spécifiques; dès lors que le recourant contestait le congé et demandait à titre subsidiaire une prolongation de bail de quatre ans, les intimés pouvaient juger inutile de demander des devis précis pour des travaux dont ils ne savaient pas si, et le cas échéant quand ils pourraient être réalisés.
Pour le surplus, la Cour d'appel n'a pas constaté une impossibilité absolue d'occuper l'appartement durant les travaux; ce n'est d'ailleurs pas un critère pour juger du caractère abusif d'une résiliation. Après avoir exposé que l'élément déterminant résidait dans les retards ou complications qu'entraînerait la présence du locataire, elle a conclu que cette présence n'était pas envisageable au vu des travaux prévus. Le recourant ne cherche pas à démontrer en quoi il était insoutenable de retenir que sa présence compliquerait et prolongerait les travaux de manière significative; il n'y a donc pas à entrer en matière sur le grief. Au demeurant, il est manifeste que la réfection totale de la cuisine et des salles d'eau est plus compliquée si le locataire occupe l'appartement, car il ne peut être totalement privé de l'usage de ces installations durant des jours.
2.5 Le recourant reproche à la Cour d'appel de ne pas avoir tenu compte de sa proposition de quitter l'appartement pendant les six semaines prévues pour les travaux.
Le grief est infondé. La Cour d'appel a expressément retenu, dans le considérant relatif à la prolongation du bail, que le recourant avait déclaré être prêt à quitter son appartement pendant la durée des travaux; elle n'a donc pas ignoré ce fait. Savoir si elle en a tiré les conclusions qui s'imposaient quant au caractère abusif de la résiliation du bail est une question de droit.
2.6 Le recourant, enfin, reproche à la Cour d'appel de ne pas avoir constaté qu'il avait obtenu une prolongation de bail de quatre ans devant la Commission de conciliation et que les intimés avaient accepté cette prolongation, ne la mettant qu'ultérieurement en cause dans le cadre de conclusions reconventionnelles prises devant le Tribunal des baux. Ce faisant, le recourant ne soulève pas une question de fait, mais de droit, portant sur le point de savoir si les intimés étaient liés par la prolongation accordée par la Commission de conciliation dès lors qu'ils n'avaient pas saisi le Tribunal des baux pour la contester.
3. Le recourant se plaint d'une violation de l'<ref-law> relatif au fardeau de la preuve; sous ce titre, il reprend sa critique des faits retenus. Or, cette disposition ne régit pas l'appréciation des preuves; elle ne prescrit pas quelles mesures probatoires doivent être ordonnées, ni ne dicte au juge comment forger sa conviction (<ref-ruling> consid. 2d; <ref-ruling> consid. 2a p. 522). Dès lors que la Cour d'appel a retenu des faits après s'être forgée une conviction sur la base des preuves administrées, il n'y a pas de place pour une violation de l'<ref-law>.
4. Le recourant se plaint d'une violation de l'<ref-law>, qui déclare la résiliation du bail annulable lorsqu'elle contrevient aux règles de la bonne foi.
4.1 La critique est irrecevable dans la mesure où elle est fondée sur un état de fait autre que celui retenu par la Cour d'appel (<ref-law>). Elle est erronée dans la mesure où elle part de la prémisse que seuls des travaux nécessaires permettent de résilier le bail. Enfin, elle est manifestement infondée dans la mesure où il est prétendu que la présence du locataire ne compliquerait que de manière insignifiante la réalisation des gros travaux prévus.
4.2 Si le locataire quitte les lieux durant les travaux pour ne réintégrer l'appartement qu'une fois les travaux terminés, la réalisation des travaux n'est pas rendue plus compliquée; dans une telle situation, la question d'un congé abusif peut se poser. Mais il convient de se référer à la situation prévalant au moment du congé pour déterminer s'il est abusif (<ref-ruling> consid. 2.1. i.f.). Un congé abusif ne se conçoit dès lors que si le bailleur a résilié le contrat alors qu'il avait la garantie que le moment venu, le locataire irait se loger ailleurs le temps que les travaux soient terminés. Il faut d'une part que le locataire ait pris l'engagement avant la résiliation; un engagement ultérieur ne saurait a posteriori transformer un congé licite en un congé abusif. Il faut d'autre part que l'engagement soit sérieux; on ne saurait exiger du bailleur qu'il renonce à mettre fin au contrat de bail sur la base de vagues promesses du locataire, sauf à rendre illusoire la possibilité de résilier le bail en vue de procéder à des travaux importants.
En l'espèce, le recourant a certes déclaré être prêt à quitter l'appartement durant les travaux. Il ne s'agit là toutefois que d'une simple déclaration orale sans autre précision ni garantie. Le recourant ne prétend pas avoir une autre possibilité de logement. En outre, il n'a pas été constaté que le recourant aurait pris cet engagement avant que le congé soit donné, et lui-même ne le prétend pas. La déclaration du recourant n'est dès lors pas pertinente pour contester la validité de la résiliation.
5. Le recourant se plaint d'une violation de l'<ref-law>, selon lequel est annulable la résiliation du bail donnée par le bailleur lorsque le locataire a fait valoir de bonne foi des prétentions découlant du bail.
La Cour d'appel a retenu que les intimés n'avaient pas résilié le bail pour ce motif. Encore une fois, il s'agit là d'une constatation de fait qui lie la cour de céans (<ref-law>). Cela scelle le sort du grief.
6. Le recourant se plaint d'une violation de l'<ref-law>. Il estime devoir bénéficier d'une prolongation de bail de quatre ans, soit la durée maximale prévue par la loi.
6.1 Dans les cas où l'autorité de conciliation rend une décision, il suffit que l'une des parties à la procédure de conciliation saisisse le juge dans les délais pour que la décision soit entièrement mise à néant. Il serait en effet contraire à l'esprit d'une conciliation de désavantager l'autre partie dans la suite de la procédure judiciaire pour le motif qu'elle s'est montrée plus conciliante en étant prête à accepter la décision de l'autorité de conciliation bien que celle-ci ne la satisfasse pas nécessairement. Cette partie garde en conséquence la possibilité de soumettre au juge ses propres conclusions, dans le cadre de la réponse à la demande ou en formant une demande reconventionnelle, pour autant que le droit de procédure applicable lui offre une telle possibilité (art. 274f aCO; <ref-ruling> consid. 2.2; <ref-ruling> consid. 2.4).
En l'espèce, même si les intimés s'étaient, dans un premier temps, accommodés de la prolongation accordée par la Commission de conciliation, ils étaient libres de changer d'avis dès lors que le recourant n'acceptait pas la décision de la Commission de conciliation. Ils pouvaient donc valablement prendre des conclusions reconventionnelles devant le Tribunal des baux en vue de limiter la prolongation au 31 mars 2012.
6.2 Le juge apprécie librement, selon les règles du droit et de l'équité (<ref-law>), s'il y a lieu de prolonger le bail et, dans l'affirmative, pour quelle durée. Il doit procéder à la pesée des intérêts en présence et tenir compte du but d'une prolongation, consistant à donner du temps au locataire pour trouver des locaux de remplacement. Il lui incombe de prendre en considération tous les éléments du cas particulier, tels que la durée du bail, la situation personnelle et financière de chaque partie, leur comportement, de même que la situation sur le marché locatif local. Le Tribunal fédéral ne revoit qu'avec réserve la décision d'équité prise en dernière instance cantonale. Il intervient lorsque celle-ci s'écarte sans raison des règles établies par la doctrine et la jurisprudence en matière de libre appréciation, ou lorsqu'elle s'appuie sur des faits qui, dans le cas particulier, ne devaient jouer aucun rôle, ou encore lorsqu'elle ignore des éléments qui auraient absolument dû être pris en considération; en outre, le Tribunal fédéral redresse les décisions rendues en vertu d'un pouvoir d'appréciation lorsqu'elles aboutissent à un résultat manifestement injuste ou à une iniquité choquante (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 6; <ref-ruling> consid. 2).
La Cour d'appel a pris en considération le fait que le recourant était atteint dans sa santé psychique, qu'il était en incapacité de travail, qu'il occupait l'appartement depuis 1983 et que la recherche d'un nouveau logement allait être compliquée du fait de sa situation personnelle ainsi que du faible taux de vacance des logements. Le recourant ne relève pas d'autres éléments pertinents que la Cour d'appel aurait omis de prendre en considération, ni d'éléments non pertinents dont elle aurait à tort tenu compte.
La Cour d'appel a accordé une prolongation unique de trois ans, venant à échéance le 31 mars 2014; cela laissait au recourant, à partir de la communication du prononcé de la Cour d'appel, vingt-huit mois pour chercher un autre logement; il a actuellement encore un peu plus d'une année et demie pour ce faire. Dans ces circonstances, le fait de ne pas accorder une année supplémentaire ne saurait être considéré comme constitutif d'une iniquité choquante.
7. Le recourant expose à titre subsidiaire que l'exécution des travaux envisagés ne permettra pas aux intimés d'augmenter le loyer. Dès lors que la résiliation du bail pour cause de travaux est valable, la question de la validité du congé donné dans le but d'obtenir un rendement supérieur est privée d'objet. Quant à savoir si la rénovation sera une opération financière rentable ou non pour les intimés, il s'agit là d'un élément sans pertinence pour le sort du litige.
8. Le recourant succombe. En conséquence, il supportera les frais et dépens de la procédure (art. 66 et 68 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le recourant versera aux intimés, créanciers solidaires, une indemnité de 2'500 fr. à titre de dépens.
4. Le présent arrêt est communiqué aux mandataires des parties et à la Cour d'appel civile du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 3 août 2012
Au nom de la Ire Cour de droit civil
du Tribunal fédéral suisse
La Présidente: Klett
La Greffière: Monti