Faits:
A. Y._ et Z._ (les bailleurs), d'une part, et X._ (le locataire), d'autre part, sont liés par un contrat de bail à loyer portant sur un appartement de deux pièces, sis à la rue ..., à Genève. En dernier lieu, le loyer mensuel s'élevait à 488 fr., charges comprises (par 98 fr.). L'échéance contractuelle a été fixée au 31 août de chaque année, le contrat se renouvelant tacitement d'année en année.
Selon le contrat de bail, le locataire, qui exerce la profession de restaurateur, est autorisé à sous-louer le logement à un membre de son personnel, en dérogation de l'art. 6 des conditions générales et règles et usages locatifs appliqués dans le canton de Genève (édition 1986), intégrés au contrat.
A partir d'août 2005, l'appartement a été sous-loué avec des meubles de seconde main. Le sous-locataire, bien que cuisinier, n'a jamais travaillé pour le sous-bailleur. Celui-ci n'a pas avisé les bailleurs de la sous-location.
Le 2 décembre 2005, les bailleurs, informés de la sous-location, ont écrit au locataire pour requérir des informations quant à la sous-location, en lui demandant de produire, cas échéant, copie du contrat de sous-location. Le 10 du même mois, le locataire a confirmé avoir mis l'appartement loué à disposition d'un tiers, qui, à ses dires, travaillait occasionnellement pour lui. Il joignait une lettre datée du 10 août 2005, qui confirmait la mise à disposition de l'appartement meublé, moyennant une retenue de 700 fr. par mois pour cette occupation; cette lettre était contresignée par le sous-locataire, A._.
Le 15 décembre 2005, le bail a été résilié pour le 28 février 2006 pour de "justes motifs". A l'appui de la résiliation était invoquée la sous-location non autorisée et consentie à des conditions abusives selon l'<ref-law>.
B. Le congé a été qualifié d'inefficace par le locataire, qui a contesté sa validité auprès de la Commission de conciliation en matière de baux et loyers. Cette autorité a parallèlement été saisie par les bailleurs d'une requête en évacuation et en paiement de la différence entre le loyer principal et le loyer de sous-location perçu par le locataire. Non conciliées, les deux causes ont été portées devant le Tribunal des baux et loyers du canton de Genève, qui les a jointes.
Par jugement du 15 décembre 2008, le tribunal a jugé inefficace le congé donné le 15 décembre 2005 pour le 28 février 2006 et débouté les parties de toutes autres conclusions. Les juges ont considéré que l'une des conditions d'application de l'<ref-law>, à savoir l'avertissement écrit préalable, n'était pas réalisée.
Les bailleurs ont demandé la révision de ce jugement, au motif que le Tribunal des baux et loyers n'avait pas statué sur leurs conclusions en évacuation et en paiement. Ils ont déposé parallèlement un appel auprès de la Cour de justice. L'instruction de l'appel a été différée jusqu'à droit connu sur la révision.
Par jugement du 20 avril 2009, la demande en révision a été rejetée. Les bailleurs ont fait appel de ce jugement. Cet appel a été joint à celui interjeté à l'encontre du jugement du 15 décembre 2008.
La Cour de justice s'est prononcée le 21 juin 2010. Elle a déclaré irrecevable l'appel formé contre le jugement du 20 avril 2009 (révision) et condamné les bailleurs à verser à l'Etat de Genève un émolument de 300 francs. Elle est par contre entrée en matière sur l'appel formé contre le jugement du 15 décembre 2008 (inefficacité du congé). Elle a annulé le jugement entrepris et, statuant à nouveau, a constaté la validité du congé extraordinaire notifié, dit qu'aucune prolongation du bail n'est accordée et condamné le locataire à libérer immédiatement de sa personne et de ses biens l'appartement objet du bail et à payer, conjointement au bailleur et à la bailleresse, la somme de 11'256 fr. avec intérêt à 5% dès le 1er mai 2007 et le montant de 512 fr. par mois dès le 28 février 2009 jusqu'à la restitution de l'appartement précité. Le locataire a par ailleurs été condamné à verser un émolument de 300 fr. à l'Etat de Genève. Toutes autres conclusions ont été rejetées. Les considérants de l'arrêt cantonal précité seront repris ci-après dans la mesure utile.
Le 24 août 2010, le locataire a demandé la révision du prononcé de la Cour de justice.
C. C.a Le locataire (recourant) exerce un recours en matière civile au Tribunal fédéral contre l'arrêt cantonal. Invoquant l'arbitraire dans l'appréciation des preuves, une violation de l'art. 29 Cst. féd., une application arbitraire du principe de l'interdiction de statuer "ultra petita" (<ref-law>) et une violation du droit fédéral (plus particulièrement des art. 257f, 262, 267, 271, 423 CO et 2 CC), il conclut à l'annulation de l'arrêt entrepris et à la constatation de l'inefficacité de la résiliation de bail, sous suite de dépens. Subsidiairement, il conclut à l'annulation de la résiliation de bail. Le recourant requiert l'octroi de l'effet suspensif.
C.b Par ordonnance présidentielle du 27 septembre 2010, la procédure de recours a été suspendue jusqu'à droit connu sur la demande en révision pendante devant la Chambre d'appel des baux et loyers du canton de Genève.
Le 17 janvier 2011, la Chambre d'appel a admis partiellement la demande en révision et annulé certains points du dispositif de l'arrêt du 21 juin 2010. Le montant dû mensuellement par le locataire, à raison de 512 fr., a été ramené à 268 fr., les juges ayant estimé qu'aucun montant n'était dû au titre d'indemnité pour occupation illicite des locaux, à défaut de conclusion formulée sur ce point.
Le 9 mars 2011, l'effet suspensif au présent recours en matière civile a été accordé par la Présidente de la 1re Cour de droit civil du Tribunal fédéral.

Considérant en droit:
1. 1.1 Lorsque - comme c'est le cas en l'espèce - un locataire conteste la validité du congé qu'il a reçu, la valeur litigieuse déterminante ne saurait être inférieure aux trois ans pendant lesquels, selon l'art. 271 al. 1 let. e CO, il est protégé contre une nouvelle résiliation dans l'hypothèse où il obtiendrait gain de cause (<ref-ruling> consid. 1.1 p. 197; <ref-ruling> consid. 1 p. 386). Le loyer mensuel étant de 488 fr., la valeur litigieuse minimum de 15'000 fr. requise en matière de droit du bail par l'<ref-law> est ici atteinte, sans qu'il ne soit nécessaire d'examiner les autres chefs de conclusions.
Le recours est interjeté par une des parties (le locataire) qui a pris part à l'instance précédente et succombé partiellement dans ses conclusions (<ref-law>). Il est dirigé contre un jugement final (<ref-law>) rendu en matière civile (<ref-law>) par une autorité cantonale de dernière instance (<ref-law>). Déposé dans le délai (<ref-law>) et la forme (<ref-law>) prévus par la loi, il est en principe recevable.
1.2 Le recours en matière civile 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 (<ref-law>). 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 (<ref-ruling> 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 (<ref-law>), 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 (<ref-ruling> consid. 1.4 p. 400). Par exception à la règle selon laquelle il examine le droit d'office, il 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 (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 1.4 in fine).
1.3 Le Tribunal fédéral conduit son raisonnement juridique sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<ref-law>). 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: <ref-ruling> consid. 2.4 p. 314; <ref-ruling> consid. 1.5 p. 130, 397 consid. 1.5 p. 401; <ref-ruling> consid. 8.1 p. 153 - ou en violation du droit au sens de l'<ref-law> (<ref-law>).
La partie recourante qui entend s'écarter des constatations de l'autorité précédente doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions d'une exception prévue par l'<ref-law> 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 (<ref-ruling> consid. 1.2 p. 187; <ref-ruling> consid. 1.4 et 6.2). 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 (<ref-law>). Aucun fait nouveau ni preuve nouvelle ne peut être présenté à moins de résulter de la décision de l'autorité précédente (<ref-law>).
1.4 Le Tribunal fédéral ne peut aller au-delà des conclusions des parties (<ref-law>). Toute conclusion nouvelle est irrecevable (<ref-law>). S'il admet le recours, le Tribunal fédéral peut statuer lui-même sur le fond ou renvoyer l'affaire à l'autorité précédente pour qu'elle prenne une nouvelle décision (<ref-law>).
2. Il ressort des constatations cantonales que le bail de sous-location du 10 août 2005 prévoyait un loyer de 700 fr. par mois, mais que le loyer mensuel payé par le sous-locataire, sans quittance en mains de l'épouse du sous-bailleur, s'élevait à 1'200 fr., charges comprises.
Le recourant invoque l'arbitraire dans l'appréciation des preuves et l'établissement des faits. Il se réfère au montant mentionné dans le contrat de sous-location, signé par le sous-locataire, et soutient que le montant du sous-loyer est établi au regard de ce titre, plus crédible que les témoignages recueillis. C'est toutefois oublier que le sous-locataire a lui-même affirmé, devant les juges cantonaux, s'être acquitté non pas d'un montant de 700 fr., comme prévu dans le contrat signé, mais d'un montant de 1'200 francs. Et rien n'indique que les dires du sous-locataire ne correspondent pas à la réalité, ce dernier n'ayant aucun intérêt à déclarer un sous-loyer supérieur à celui effectivement acquitté. Les propos tenus par le sous-locataire au sujet du sous-loyer payé ont d'ailleurs été confirmés par le témoignage d'un autre locataire de l'immeuble, ce qui n'est pas dénué de pertinence. Sur cette base, la cour cantonale pouvait retenir sans arbitraire que le montant du sous-loyer était de 1'200 francs.
Il n'y a donc pas lieu de s'écarter de cette constatation de fait dans le raisonnement qui va suivre.
3. En accord avec ce que plaide le recourant, l'autorité cantonale a considéré que la résiliation anticipée du bail en application de l'<ref-law> n'a pas été notifiée correctement au locataire "sur le plan formel", à défaut d'avoir été précédée d'un avertissement écrit. Elle a pour le surplus relevé que les bailleurs étaient en droit de refuser leur consentement à la sous-location non autorisée sur la base de l'<ref-law>, les conditions de la sous-location étant abusives.
Cela étant posé, les magistrats cantonaux ont jugé que le comportement adopté par le locataire était constitutif d'un abus de droit et que le locataire n'avait ainsi aucun intérêt digne de protection à faire valoir le moyen soulevé tenant à l'absence de mise en demeure précédant la résiliation donnée pour sous-location à des conditions abusives. Ils en ont conclu que le congé était en principe valable.
Cette considération est remise en cause par le recourant, qui dénonce, entre autres dispositions de droit fédéral, une violation de l'<ref-law>.
3.1 Selon l'<ref-law>, le bailleur peut, s'agissant d'une habitation ou de locaux commerciaux, résilier le contrat moyennant un délai de congé minimum de trente jours pour la fin d'un mois si le maintien du bail est devenu insupportable pour lui-même ou les personnes habitant la maison parce que le locataire, nonobstant une protestation écrite du bailleur, persiste à enfreindre son devoir de diligence ou à manquer d'égards envers les voisins. La jurisprudence a déjà eu l'occasion de préciser que le libellé de cette disposition légale est trop restrictif et que le congé extraordinaire prévu par l'<ref-law> s'applique dans tous les cas où le locataire use de la chose en violation de la loi ou des stipulations du contrat (<ref-ruling> consid. 5 p. 113; <ref-ruling> consid. 2a p. 126).
Il résulte de l'<ref-law> que le locataire ne peut sous-louer tout ou partie de la chose sans le consentement du bailleur. En conséquence, remettre la chose à bail à un tiers sans le consentement du bailleur constitue en soi une utilisation de la chose qui viole la loi. Une sous-location sans le consentement du bailleur peut justifier une résiliation anticipée du bail selon l'<ref-law> (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 302, 446 consid. 2.2 p. 449). Il faut cependant que le bailleur invite le locataire, par écrit, à se conformer aux exigences légales, en l'enjoignant à mettre un terme à la sous-location ou en protestant contre l'absence de demande d'autorisation; l'exigence selon laquelle le maintien du bail doit être devenu insupportable n'a pas de portée propre (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 302 ss, 446 consid. 2.2 p. 449).
Dans un arrêt non publié (arrêt 4C.267/1994 du 10 janvier 1995, consid. 2a), le Tribunal fédéral a posé que la condition de la mise en demeure peut être abandonnée s'il apparaît d'emblée que la mesure est manifestement inutile. La position du Tribunal fédéral est partagée par la doctrine majoritaire (cf. notamment PETER HIGI, Zürcher Kommentar, 4e éd. 1996, n. 55 ad <ref-law>; RICHARD PERMANN, Mietrecht, Kommentar, n. 8 ad <ref-law>; PIERRE WESSNER, Le devoir de diligence du locataire dans les baux d'habitations et de locaux commerciaux, in 14e Séminaire sur le droit du bail, 2006, n. 67, p. 19). LACHAT se distancie néanmoins de ces auteurs, en mettant en doute la solution d'une dispense de mise en demeure, par application analogique de l'<ref-law> (DAVID LACHAT, Le bail à loyer, 2008, n. 3.1.7 ad chapitre 27, p. 678; LACHAT ET AL., Mietrecht für die Praxis, n. 27/3.1.10, p. 550).
3.2 Les juges cantonaux ont relevé que l'inutilité de l'envoi préalable d'une sommation écrite au recourant n'était pas établie. Ils n'ont en aucun cas exclu une mise en conformité de la situation par le locataire à la suite de la sommation, puisqu'ils ont relevé que celui-ci aurait pu se déterminer sur le caractère abusif du montant réclamé à son sous-locataire, voire décider de mettre fin à la sous-location.
Compte tenu de cet état de fait, nullement remis en cause par le recourant (<ref-law>), on ne saurait dire qu'une mise en demeure était d'emblée inutile.
Cela étant, il convient d'examiner si, au regard des circonstances d'espèce, en particulier de l'attitude adoptée par le locataire, le fait d'invoquer l'inefficacité du congé pour défaut de sommation est constitutif d'abus de droit.
Il ressort des constatations cantonales souveraines (<ref-law>; cf. supra, consid. 2) que le locataire a fourni aux bailleurs les renseignements demandés, mais il s'est avéré, au terme de l'instruction, que les données fournies ne correspondaient pas à la réalité: le loyer de la sous-location chiffré à 700 fr. sur le bail de sous-location s'élevait en réalité à 1'200 francs. Il a néanmoins été souligné par les magistrats cantonaux que le loyer communiqué à la régie, par 700 fr., n'était pas nécessairement faux dans l'esprit du locataire: dès lors que celui-ci louait meublé et payait certaines charges, il pouvait avoir scindé le loyer du logement, celui des meubles et le paiement des charges.
Le fait d'avoir dissimulé la sous-location aux bailleurs, puis de n'avoir pas transmis les conditions réelles de la sous-location et d'avoir enfin appliqué des conditions abusives à la sous-location justifie le refus du consentement à la sous-location par les bailleurs au sens de l'<ref-law>. On n'y voit cependant l'expression d'aucun comportement abusif qui ne permettrait pas au locataire de se prévaloir du défaut d'avertissement écrit. Si tel était en effet le cas, le locataire serait, dans les hypothèses susmentionnées, privé de la possibilité de se conformer à ses devoirs en cas de vice affectant le congé (comme le non-respect de la condition de l'avertissement préalable). Il s'agit pourtant là de la fonction conférée à la protestation écrite de l'art. 257 f al. 3 CO (Pierre Wessner, op. cit., p. 19 ss). Priver le locataire d'une telle possibilité, en l'absence de circonstances tout à fait exceptionnelles (cf. arrêt 4C.441/2006 du 23 mars 2007, consid. 5) - nullement établies en l'espèce -, serait contraire à l'esprit de la loi.
Quant à l'information donnée au sujet du métier exercé par le sous-locataire, elle participe de la communication des informations concernant les conditions de sous-location, étant rappelé que, dans le cas présent, le contrat de bail autorisait d'emblée la sous-location à un membre du personnel du locataire. Faute, pour ce dernier, d'avoir remis l'objet du bail à un membre de son personnel, ce qui ressort de l'état de fait, il lui appartenait de requérir l'autorisation des bailleurs. En ne l'ayant pas fait, le locataire a persisté à violer les obligations contractuelles en matière de sous-location. Il n'y a néanmoins pas trace d'un comportement abusif qui empêcherait le locataire de se plaindre d'une absence d'avertissement écrit préalable à la résiliation du bail. On ne décèle en particulier aucune attitude contradictoire de ce dernier.
Force est dès lors de conclure que le congé notifié au recourant ne satisfait pas aux exigences légales de l'<ref-law> (<ref-ruling> consid. 1c/aa p. 161) et qu'il est donc inefficace. Cette solution rend inutile l'examen des autres griefs soulevés par le recourant sur le sujet.
Le recours doit ainsi être admis sur la question de l'inefficacité du congé et l'arrêt attaqué annulé en tant qu'il constate la validité du congé, qu'il dit qu'aucune prolongation n'est accordée et qu'il condamne le locataire à libérer immédiatement de sa personne et de ses biens l'appartement litigieux. Il sera prononcé que la résiliation de bail est inefficace.
4. Parmi les conclusions formulées en instance cantonale, les bailleurs ont requis le paiement de la différence entre le loyer principal et le sous-loyer, plus élevé, perçu par le locataire. A ce titre, ce dernier a été condamné à verser à chacun des bailleurs la somme capitalisée de 11'256 fr. (pour la période du 1er août 2005 au 31 janvier 2009), avec intérêt à 5% dès le 1er mai 2007, et le montant de 512 fr. par mois dès le 28 février 2009 "jusqu'à la restitution de l'appartement précité". Ce dernier montant a finalement été réduit à 268 fr. après révision du jugement du 21 juin 2010, qui a exclu tout montant dû à titre d'indemnité pour occupation illicite.
D'emblée, il convient de constater qu'au regard de la révision susmentionnée le grief développé devant le Tribunal fédéral sur la question de l'indemnité pour occupation illicite (violation de l'art. 29 Cst. féd. et application arbitraire du principe de l'interdiction de statuer ultra petita) n'a plus d'objet. Il n'y a donc pas lieu d'y revenir.
Le recourant nie devoir tout montant aux bailleurs et dénonce une violation de l'<ref-law>.
Il affirme que le montant du sous-loyer, par 700 fr., était justifié et que les bailleurs ne pouvaient valablement s'opposer à la sous-location. Il ajoute n'avoir reçu aucun montant à titre de sous-loyer à partir de novembre 2007 et prétend que, sur ce point, la cour cantonale a écarté manifestement à tort un élément de preuve décisif, à savoir la mise en demeure adressée au sous-locataire le 14 juillet 2009 pour défaut de paiement du sous-loyer depuis le mois de novembre 2007; il se réfère aussi au contenu du jugement d'évacuation du sous-locataire rendu le 5 mars 2010 par le Tribunal des baux et loyers. Il relève enfin que le calcul opéré par la cour cantonale au titre des profits réalisés est erroné, dès lors qu'il ne tient pas compte du fait que la sous-location était meublée, contrairement au bail principal.
Il est de jurisprudence qu'une sous-location non autorisée par le contrat de bail constitue une gestion imparfaite par le locataire des affaires du bailleur au sens de l'<ref-law> (<ref-ruling> consid. 2b p. 73). Il faut néanmoins, pour que cette disposition s'applique, que le gérant soit de mauvaise foi (<ref-ruling> consid. 4 p. 425; <ref-ruling> consid. 2a p. 72, 382 consid. 4b/aa p. 384).
Dans le cas d'espèce, il a été retenu, sans que l'arbitraire ne soit invoqué, que le recourant devait savoir que les conditions de la sous-location non autorisée ne correspondaient pas à ses obligations contractuelles et qu'il réalisait ainsi un profit illégitime. L'<ref-law> trouve dès lors application. Selon cette disposition, le maître est en droit de s'approprier les profits qui résultent de l'ingérence inadmissible dans les affaires d'autrui. La prétention du maître en restitution des profits suppose que des profits aient été réalisés par le gérant et qu'il existe un lien de causalité entre ceux-ci et l'ingérence; seuls les profits effectivement obtenus sont dus (ANNE HÉRITIER LACHAT, in Commentaire romand, Code des obligations, vol. I, 2003, n. 17 et 22 ad <ref-law>). Le fardeau de la preuve incombe au maître (<ref-law>).
Il ressort du jugement entrepris que le sous-loyer s'élevait à 1'200 fr. alors que le locataire s'acquittait auprès des bailleurs d'un montant de 488 fr. et qu'il payait pour le compte du sous-locataire des frais à raison de 176 fr., lesquels frais ont été opposés en compensation. Le recourant ne prétend pas avoir allégué, ni même avoir établi, en cours de procédure, la part du montant perçu représentant la location du mobilier. Et la maxime inquisitoire sociale n'oblige pas le juge à instruire d'office le litige lorsqu'un plaideur renonce à expliquer sa position (<ref-ruling> consid. 4a p. 238 s.). Cela étant, le locataire ne saurait faire valablement grief à l'autorité cantonale de ne pas avoir pris en compte cet élément dans le calcul du montant des profits à restituer aux bailleurs, ce à plus forte raison que le juge dispose d'une certaine marge d'appréciation dans la fixation de ce montant (<ref-law>; cf. ANNE HÉRITIER LACHAT, op. cit., n. 22 ad <ref-law>; CHRISTINE CHAPPUIS, La restitution des profits illégitimes, 1991, p. 51 s.; JÜRG SCHMID, Zürcher Kommentar, 3e éd. 1993, n. 127 ad <ref-law>).
Il ne se justifie ainsi pas de s'écarter du montant mensuel retenu au titre des gains procurés par la sous-location et dû aux deux bailleurs, à concurrence de 536 fr. ou, à chacun d'entre eux, à concurrence de 268 fr. (536 : 2).
Reste toutefois la question des sous-loyers demeurés soi-disant en souffrance. Le recourant a, le 14 juillet 2009, informé l'autorité cantonale du défaut de paiement des sous-loyers à partir de novembre 2007, en lui communiquant une copie de la mise en demeure adressée au sous-locataire. La cour cantonale n'a pas pris en compte cet allégué, et la pièce y relative, pour cause de tardiveté. Il s'agit là d'une question de droit de procédure cantonal, qu'il appartenait au recourant de critiquer sous l'angle de l'arbitraire. A défaut, il n'y a pas lieu d'y revenir. On ajoutera encore que la demande en révision a été écartée sur la question de l'absence de paiement de tout sous-loyer dès novembre 2007 et qu'aucune violation de l'<ref-law> n'est dénoncée sur cette question (cf. <ref-law>).
Il n'apparaît par ailleurs pas à la lecture des faits de la cause que le sous-bail ait été résilié et encore moins que les locaux aient été libérés par le sous-locataire. Il convient néanmoins d'observer que le locataire n'est en mesure de réaliser un profit qu'aussi longtemps que le sous-locataire occupe effectivement les locaux loués et non pas au-delà. Cela étant, il y a lieu de condamner le locataire à payer les montants fixés au titre des gains procurés par la sous-location jusqu'à la fin de l'occupation effective de l'appartement par le sous-locataire, et non pas jusqu'à la restitution de l'appartement litigieux par le recourant aux intimés, comme retenu par les juges cantonaux. Une telle solution viole le droit fédéral pour ne pas circonscrire les montants dus aux seuls profits effectivement réalisés et consacre, de surcroît, une situation incertaine pour le recourant, qui ignore à ce jour quand l'appartement litigieux sera restitué aux bailleurs.
En conclusion, la somme capitalisée des loyers de sous-location pour la période - non remise en cause par le recourant - du 1er août 2005 au 31 janvier 2009, à concurrence de 22'512 fr., doit être confirmée, ainsi que les intérêts alloués; la condamnation du recourant à payer à chacun des intimés la somme de 11'256 fr. (22'512 : 2), avec intérêts à 5% dès le 1er mai 2007, reste inchangée. Pour le surplus, le recourant est redevable envers chacun des intimés d'un montant mensuel de 268 fr. (536 : 2), du 28 février 2009 jusqu'à la fin de l'occupation effective de l'appartement par le sous-locataire.
5. Le recourant a conclu à tort n'être redevable d'aucun montant à l'endroit des bailleurs et être ainsi libéré de tout paiement, mais obtient néanmoins gain de cause sur la question des mensualités dues à titre de profits réalisés. Il obtient également gain de cause en ce qui concerne l'inefficacité du congé.
Dans ces circonstances, il se justifie de mettre à la charge du recourant le tiers des frais judiciaires, le solde étant à la charge des intimés, solidairement entre eux (<ref-law>).
Pour les mêmes raisons, il convient d'allouer au recourant une indemnité de 1'000 fr. à titre de dépens réduits (art. 68 al. 1 et 2 LTF).
La partie de l'arrêt traitant de l'appel formé contre le jugement du 20 avril 2009 n'a fait l'objet d'aucun grief de la part du recourant. Il s'ensuit que la répartition des frais relatifs à ce volet du jugement reste intacte. La cause est par contre renvoyée à l'autorité cantonale pour nouvelle décision en ce qui concerne les frais liés à l'appel formé à l'encontre du jugement du 15 décembre 2008.

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est partiellement admis. L'arrêt attaqué est annulé en ce qu'il concerne l'appel formé contre le jugement du 15 décembre 2008; il est confirmé pour le surplus.
2. Il est prononcé que la résiliation du bail notifiée au recourant le 15 décembre 2005 pour le 28 février 2006, portant sur l'appartement de deux pièces sis à la rue ..., à Genève, est inefficace.
3. Le recourant est condamné à payer à chacun des intimés la somme de 11'256 fr., avec intérêts à 5% l'an dès le 1er mai 2007, ainsi que le montant de 268 fr. par mois dès le 28 février 2009 jusqu'à la fin de l'occupation effective de l'appartement par le sous-locataire.
Les parties sont déboutées de toutes autres conclusions.
4. Les frais judiciaires, fixés à 2'500 fr., sont mis à la charge des intimés, solidairement entre eux, à concurrence de 1'667 fr., et à la charge du recourant à concurrence de 833 francs.
5. Les intimés, solidairement entre eux, verseront au recourant une indemnité de 1'000 fr. à titre de dépens réduits.
6. La cause est renvoyée à l'autorité cantonale pour qu'elle statue à nouveau sur le sort des frais liés à l'appel formé à l'encontre du jugement rendu le 15 décembre 2008.
7. Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Chambre d'appel en matière de baux et loyers du canton de Genève.
Lausanne, le 18 avril 2011
Au nom de la Ire Cour de droit civil
du Tribunal fédéral suisse
La Présidente: La Greffière:
Klett Crittin