Faits:
A. Le 17 septembre 1998, A._, ressortissant marocain, né en 1977, est entré en Suisse pour y suivre des études à l'Ecole d'ingénieurs du canton de Neuchâtel. Il a été mis au bénéfice d'une autorisation de séjour annuelle. En 1999, comme il poursuivait ses études à l'Ecole d'ingénieurs et d'architectes de Fribourg, son autorisation de séjour annuelle a été renouvelée par le Service de la police des étrangers et des passeports du canton de Fribourg (actuellement le Service de la population et des migrants [ci-après: SPoMi]) jusqu'au 31 décembre 2001.
Au courant du mois d'octobre 2000, il a fait la connaissance de B._, ressortissante suisse, née en 1957. Deux à trois mois plus tard, A._ s'est installé au domicile de sa future épouse. Le 26 janvier 2002, il a contracté mariage devant l'état civil de Surpierre (FR) avec B._. Ensuite de ce mariage, il a obtenu de l'autorité cantonale compétente, au titre de regroupement familial, une autorisation de séjour qui a été renouvelée jusqu'au 26 janvier 2004.
Par formulaire du 23 septembre 2003, l'intéressé a informé le SPoMi de son changement d'adresse à Villars-sur-Glâne, effectué le 15 juillet 2003. Lors de sa demande de prolongation de l'autorisation de séjour déposée le 1er décembre 2003, A._ a indiqué à l'autorité cantonale qu'il était toujours marié mais qu'il faisait domicile séparé avec son épouse pour prendre "un peu de recul". L'épouse a également confirmé vivre séparée de son époux et avoir besoin de temps pour prendre une décision quant à la reprise d'une vie commune.
Le 25 février 2004, le SPoMi a renouvelé l'autorisation de séjour pour une durée d'une année, tout en informant A._ qu'un examen de sa situation matrimoniale serait à nouveau effectué à l'échéance de l'autorisation afin de vérifier l'existence ou non d'un abus de droit, entraînant le cas échéant, la révocation de l'autorisation. Par courrier du 1er avril 2004, les époux A._ ont avisé le SPoMi qu'ils avaient repris la vie commune le 15 mars 2004, fait confirmé par le Contrôle des habitants de la commune de Villars-sur-Glâne.
Le 10 novembre 2004, A._ a rempli à l'attention de l'Office fédéral des migrations (ci-après: ODM) une demande de naturalisation facilitée fondée sur son mariage avec B._ (art. 27 de la loi sur la nationalité [LN, RS 141.0]).
Dans le cadre de l'instruction de cette demande, les époux A._ont signé, le 7 février 2006, une déclaration écrite aux termes de laquelle ils confirmaient vivre en communauté conjugale effective, à la même adresse. Ils ont aussi attesté avoir pris connaissance du fait que la naturalisation facilitée ne pouvait pas être octroyée lorsque, avant ou pendant la procédure de naturalisation, la communauté conjugale effective n'existait plus, notamment si l'un des conjoints demandait le divorce ou la séparation, et que, si cet état de fait était dissimulé, la naturalisation facilitée pouvait être annulée ultérieurement, conformément au droit en vigueur.
Par décision du 6 juillet 2006, l'ODM a accordé la naturalisation facilitée à A._ en application de l'art. 27 LN, lui conférant par là-même les droits de cité cantonal et communal de son épouse.
B. Par jugement du 1er avril 2008, entré en force le 8 mai 2008, le Président du Tribunal civil de l'arrondissement de la Sarine a prononcé la dissolution du mariage de A._ et B._ faisant suite à une requête commune du 5 novembre 2007.
Le Service de l'état civil et des naturalisations du canton de Fribourg a informé l'ODM du divorce précité et a dénoncé formellement le cas de l'intéressé en vue d'une annulation de la naturalisation facilitée, compte tenu du court laps de temps écoulé entre la naturalisation et le divorce, de la différence d'âge des époux (20 ans) et de l'absence d'enfants communs.
Le 4 février 2010, l'ODM a informé A._ qu'au vu du récent prononcé du divorce, il lui appartenait d'examiner si la naturalisation ne devait pas être annulée. L'intéressé a fait part de ses observations le 18 février 2010. Egalement invitée à se déterminer, B._ a indiqué, par courrier du 17 février 2010, qu'elle avait rencontré l'intéressé en 2000, qu'ils avaient rapidement décidé de se marier, qu'une bonne entente régnait au sein de leur couple et que le divorce trouvait son origine dans la vie stressante qui était la leur. Elle a également été entendue, le 7 juin 2010, par les autorités fribourgeoises sur les circonstances de sa rencontre avec son ex-époux. Le procès-verbal de l'audition a été transmis à A._ qui a souligné que son ex-épouse avait répondu en toute transparence.
Les autorités compétentes du canton de Fribourg ont donné, le 15 septembre 2010, leur assentiment à l'annulation de la naturalisation facilitée conférée à A._.
C. Par décision du 27 octobre 2010, l'ODM a prononcé l'annulation de la naturalisation facilitée en se fondant sur l'art. 41 LN. Le 29 novembre 2010, A._ a recouru contre cette décision auprès du Tribunal administratif fédéral, en concluant à son annulation. Il a en premier lieu contesté avoir trompé l'autorité en signant la déclaration du 7 février 2006 car il formait à ce moment une union conjugale stable et effective. Il a souligné que la question d'une séparation du couple ne s'était posée que dans le courant de l'été 2007 en raison de difficultés conjugales survenues au début de l'année 2007 et trouvant leur origine dans la jalousie manifestée par son ex-épouse et dans l'évolution des attentes de celle-ci quant à leur mariage. Il a également confirmé qu'il n'existait aucun événement extraordinaire ayant conduit au divorce et qu'il n'était pas à l'origine des difficultés conjugales. Il a expliqué que l'absence d'enfants communs et la possibilité pour chacun des époux de subvenir à leurs propres besoins avaient permis de régler rapidement les questions liées au prononcé du divorce. Il a relevé que son mariage avait été mûrement réfléchi et était intervenu après deux ans de vie commune et que la requête en naturalisation avait été déposée après presque cinq ans de relation affective. Il a justifié le peu de contact de son épouse avec sa famille au Maroc par le fait qu'elle ne supportait pas le climat, qu'elle avait préféré lui laisser du temps seul avec sa famille et qu'en raison de son âge, les relations avec la belle-famille étaient moins essentielles. Interrogé sur la location au nom de B._, d'un studio en ville de Fribourg dès le 1er octobre 2005, en sus de l'appartement conjugal, A._ a précisé que ses horaires de travail irréguliers étaient à l'origine de cette location. Il a également mentionné les difficultés de sommeil de son épouse ainsi que le stockage de matériel informatique pour un projet professionnel. Il a toutefois confirmé partager l'appartement commun jusqu'à leur séparation, même s'il avait procédé à un changement d'adresse sur le plan administratif depuis le 1er novembre 2007. A l'appui de son recours, il a également mis en évidence les bons rapports entretenus avec sa belle-famille.
D. Le Tribunal administratif fédéral a rejeté le recours de l'intéressé par arrêt du 10 février 2012. Il a estimé que l'enchaînement chronologique particulièrement rapide des faits et avant tout le laps de temps relativement court qui s'était écoulé entre l'octroi de la naturalisation facilitée et dépôt de la demande commune de divorce étaient de nature à fonder la présomption de fait que la stabilité du mariage n'existait déjà plus au moment de la déclaration commune, les éléments avancés par A._ n'étant pas suffisants pour renverser cette présomption.
E. Agissant par la voie du recours en matière de droit public, A._ demande au Tribunal fédéral d'annuler l'arrêt du Tribunal administratif fédéral. Il se plaint d'une constatation arbitraire des faits ainsi que d'une violation de l'art. 41 LN.
L'ODM a déposé ses observations. Le Tribunal administratif fédéral a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. L'arrêt attaqué émane du Tribunal administratif fédéral et concerne l'annulation de la naturalisation facilitée accordée au recourant, si bien qu'il peut faire l'objet d'un recours en matière de droit public (art. 82 let. a et 86 al. 1 let. a LTF). Le motif d'exclusion de l'<ref-law> n'entre pas en ligne de compte, dès lors qu'il s'agit en l'espèce de naturalisation facilitée et non pas de naturalisation ordinaire. Pour le surplus, le recourant possède la qualité pour recourir au sens de l'<ref-law> et les conditions formelles de recevabilité sont remplies, de sorte qu'il y a lieu d'entrer en matière.
2. Le recourant conteste avoir obtenu la naturalisation par des déclarations mensongères. Il reproche au Tribunal administratif fédéral d'avoir apprécié de façon arbitraire les preuves et d'avoir établi les faits fondant le retrait de la naturalisation de façon manifestement inexacte, rendant ainsi une décision contraire à la LN. Il soutient également que l'instance précédente n'aurait pas tenu compte de circonstances pertinentes dans l'examen des éléments avancés pour renverser cette présomption.
2.1 Le Tribunal fédéral statue en principe sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<ref-law>), sous réserve des cas prévus par l'<ref-law>. Quant au recourant, il ne peut critiquer la constatation de faits, susceptibles d'avoir une influence déterminante sur l'issue de la procédure, que si ceux-ci ont été établis en violation du droit au sens de l'<ref-law> ou de manière manifestement inexacte (<ref-law>), en particulier en violation de l'interdiction constitutionnelle de l'arbitraire (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 4.1.2 p. 62; Message concernant la révision totale de l'organisation judiciaire fédérale du 28 février 2001, FF 2001 p. 4135), ce qu'il lui appartient de démontrer par une argumentation répondant aux exigences de l'<ref-law>, respectivement de l'<ref-law>.
En matière d'appréciation des preuves et d'établissement des faits, il y a arbitraire lorsque l'autorité n'a manifestement pas compris le sens et la portée d'un moyen de preuve, si elle ne prend pas en compte, sans raison sérieuse, un élément de preuve propre à modifier la décision ou lorsqu'elle tire des constatations insoutenables des éléments recueillis (<ref-ruling> consid. 4.1.2 p. 62).
2.2 Conformément à l'art. 41 al. 1 LN dans sa teneur jusqu'au 1er mars 2011 et à l'art. 14 al. 1 de l'ordonnance du 17 novembre 1999 sur l'organisation du Département fédéral de justice et police (RS 172.213.1), l'ODM peut, avec l'assentiment de l'autorité du canton d'origine, annuler dans les cinq ans une naturalisation facilitée obtenue par des déclarations mensongères ou par la dissimulation de faits essentiels.
2.2.1 Pour qu'une naturalisation facilitée soit annulée, il ne suffit pas qu'elle ait été accordée alors que l'une ou l'autre de ses conditions n'était pas remplie; il faut qu'elle ait été acquise grâce à un comportement déloyal et trompeur. S'il n'est point besoin que ce comportement soit constitutif d'une escroquerie au sens du droit pénal, il est nécessaire que l'intéressé ait donné sciemment de fausses informations à l'autorité ou qu'il l'ait délibérément laissée dans l'erreur sur des faits qu'il savait essentiels (<ref-ruling> consid. 2 p. 165; <ref-ruling> consid. 3.1 p. 115 et les arrêts cités). Tel est notamment le cas si le requérant déclare vivre en communauté stable avec son conjoint alors qu'il envisage de se séparer une fois obtenue la naturalisation facilitée; peu importe que son mariage se soit ou non déroulé jusqu'ici de manière harmonieuse (arrêt 1C_406/2009 du 28 octobre 2009 consid. 3.1.1 et l'arrêt cité).
La nature potestative de l'art. 41 al. 1 LN confère une certaine liberté d'appréciation à l'autorité compétente, qui doit toutefois s'abstenir de tout abus dans l'exercice de celle-ci. Commet un abus de son pouvoir d'appréciation l'autorité qui se fonde sur des critères inappropriés, ne tient pas compte de circonstances pertinentes ou rend une décision arbitraire, contraire au but de la loi ou au principe de la proportionnalité (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 403; <ref-ruling> consid. 4a p. 101 et les arrêts cités).
D'après la jurisprudence, la notion de communauté conjugale suppose non seulement l'existence formelle d'un mariage, mais encore une véritable communauté de vie des conjoints; tel est le cas s'il existe une volonté commune et intacte de ceux-ci de maintenir une union conjugale stable; une séparation survenue peu après l'octroi de la naturalisation constitue un indice de l'absence de cette volonté lors de l'obtention de la citoyenneté suisse (<ref-ruling> consid. 2 p. 165; <ref-ruling> consid. 2 p. 484; <ref-ruling> consid. 3a p. 98).
2.2.2 La procédure administrative fédérale est régie par le principe de la libre appréciation des preuves (art. 40 de la loi fédérale de procédure civile fédérale du 4 décembre 1947 [PCF; RS 273], applicable par renvoi de l'<ref-law>). Ce principe vaut également devant le Tribunal administratif fédéral (<ref-law>). L'administration supporte le fardeau de la preuve lorsque la décision intervient, comme en l'espèce, au détriment de l'administré. Cela étant, la jurisprudence admet dans certaines circonstances que l'autorité puisse se fonder sur une présomption. C'est notamment le cas pour établir que le conjoint naturalisé a menti lorsqu'il a déclaré former une union stable, dans la mesure où il s'agit d'un fait psychique lié à des éléments relevant de la sphère intime, souvent inconnus de l'administration et difficiles à prouver (<ref-ruling> consid. 3 p. 166; <ref-ruling> consid. 3.2 p. 485). Partant, si l'enchaînement rapide des événements fonde la présomption de fait que la naturalisation a été obtenue frauduleusement, il incombe alors à l'administré de renverser cette présomption en raison, non seulement de son devoir de collaborer à l'établissement des faits (<ref-law>; cf. <ref-ruling> consid. 3 p. 166; <ref-ruling> consid. 3.2 p. 115 s.), mais encore de son propre intérêt (ATF <ref-ruling> consid. 3.2 p. 485 s.).
S'agissant d'une présomption de fait, qui ressortit à l'appréciation des preuves et ne modifie pas le fardeau de la preuve (cf. <ref-ruling> consid. 3 p. 166), l'administré n'a pas besoin, pour la renverser, de rapporter la preuve contraire du fait présumé, à savoir faire acquérir à l'autorité la certitude qu'il n'a pas menti; il suffit qu'il parvienne à faire admettre l'existence d'une possibilité raisonnable qu'il n'ait pas menti en déclarant former une communauté stable avec son conjoint. Il peut le faire en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer une détérioration rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité de ses problèmes de couple et, ainsi, l'existence d'une véritable volonté de maintenir une union stable avec son conjoint lorsqu'il a signé la déclaration (<ref-ruling> consid. 3 p. 165 s. et les arrêts cités).
2.3 En l'espèce, le Tribunal administratif fédéral a considéré que le laps de temps relativement court qui s'est écoulé entre l'octroi de la naturalisation facilitée (6 juillet 2006) et le dépôt de la demande commune de divorce (novembre 2007) est de nature à fonder la présomption de fait que, conformément à la jurisprudence, la stabilité requise du mariage n'existait déjà plus au moment de la déclaration commune faite le 7 février 2006, à tout le moins lors du prononcé de la naturalisation facilitée, intervenu le 6 juillet 2006, quand bien même les époux ne vivaient pas encore séparés à ce moment là. La requête commune de divorce a été déposée le 5 novembre 2007 ; les époux étaient alors déjà parvenus à un accord complet car la requête était accompagnée d'une convention sur les effets accessoires du divorce, signée par les parties. Le Tribunal administratif fédéral pouvait donc à juste titre retenir la présomption de fait selon laquelle la communauté conjugale n'était pas stable lors de l'octroi de la naturalisation puisque l'ouverture de la procédure de divorce - dont l'ensemble des effets accessoires avait déjà été réglé conventionnellement au moment du dépôt de la demande - est intervenue environ seize mois après l'octroi de la naturalisation facilitée (cf. arrêt 1C_158/2011 du 26 août 2011: 20 mois; arrêt 1C_472/2011 du 22 décembre 2011: 19 mois; arrêt 1C_172/2012 du 14 juin 2012: 22 mois). La simple allégation selon laquelle les époux auraient tenté de se réconcilier n'a pas pour conséquence d'affaiblir la présomption de fait tirée de l'enchaînement chronologique rapide des faits. Au contraire, les tentatives de réconciliation alléguées par le recourant ainsi que l'accord intervenu sur les effets accessoires du divorce parlent en faveur d'une détérioration de la relation conjugale peu après l'octroi de la naturalisation, faute de quoi les époux n'auraient pas pu déposer une requête commune le 5 novembre 2007 déjà.
2.4 Conformément à la jurisprudence précitée, il convient donc de déterminer si l'intéressé est parvenu à renverser cette présomption en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire, susceptible d'expliquer une dégradation aussi rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité des problèmes de couple au moment de la signature de la déclaration commune.
2.4.1 Le Tribunal administratif fédéral a retenu, sans arbitraire, que le recourant n'a pas rendu vraisemblable la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer la détérioration rapide du lien conjugal; le recourant l'admet d'ailleurs lui-même. Par ailleurs, le recourant a mentionné que le couple avait connu des difficultés conjugales, au début de l'année 2007, dues à la jalousie de son ex-épouse et de ses attentes par rapport au mariage. Cette dernière a néanmoins, en février 2007, fourni à l'ODM des causes beaucoup plus générales; elle a fait état de la vie stressante et, par voie de conséquence, des difficultés à supporter la vie commune. Dans ces circonstances, le Tribunal administratif pouvait, sans tomber dans l'arbitraire, retenir que l'affirmation du recourant selon laquelle il n'a pas menti sur sa situation matrimoniale au moment de l'obtention de la naturalisation facilitée, ne pouvait être considérée comme un renversement de la présomption au sens de la jurisprudence précitée. En particulier, le recourant ne parvient pas à rendre crédible l'élément de fait qui permettrait de comprendre pourquoi la communauté conjugale formée avec son épouse, intacte au mois de février 2006, se serait dégradée au début de l'année 2007 pour déboucher sur une requête commune en divorce en novembre 2007.
2.4.2 Comme l'a souligné le Tribunal administratif fédéral, non seulement le recourant n'est pas parvenu à renverser la présomption de fait fondée sur la chronologie rapide des événements, mais cette dernière est confirmée par plusieurs autres éléments du dossier. En premier lieu, l'ex-épouse a affirmé que son couple "marchait bien", lors de son audition du 7 juin 2010. Il résulte néanmoins des pièces du dossier du SPoMi que les conjoints avaient déjà rencontré des difficultés conjugales au point de prendre des domiciles séparés mi-juillet 2003, soit dix-huit mois à peine après la célébration du mariage. Ce n'est que moins de trois mois après que le SPoMi a indiqué au recourant qu'il allait examiner à nouveau sa situation matrimoniale à l'échéance de son autorisation de séjour, que les intéressés ont repris la vie commune. En outre, il ressort des pièces déposées que les époux disposaient de deux logements dans la même ville, l'un loué par les conjoints depuis le 18 août 2005, et l'autre - un appartement d'une pièce et demi - au nom de l'ex-épouse depuis le 1er octobre 2005. Le recourant ne démontre pas devant le Tribunal fédéral en quoi l'autorité précédente aurait versé dans l'arbitraire en considérant que les explications avancées pour justifier ces deux logements, à savoir les troubles du sommeil de l'ex-épouse, les horaires irréguliers de l'intéressé et le dépôt de matériel informatique, n'emportaient pas la conviction. Dans ces conditions, le Tribunal administratif fédéral pouvait retenir de manière soutenable que les intéressés ne formaient pas une union conjugale stable.
Le recourant fait également état de voyages et de lettres de tiers attestant du lien qui unissait les époux. Il sied de constater que ces voyages se sont déroulés respectivement du 21 au 29 juillet 2001 en Grèce et du 5 au 12 mars 2003 en Turquie. Ils ont donc eu lieu bien avant l'octroi de la naturalisation facilitée et ne peuvent attester d'une communauté conjugale effective et stable durant la période déterminante. Ce d'autant plus que le couple a connu à cette époque de réelles difficultés puisque une première séparation est intervenue entre 2003 et 2004. Quant aux invitations reçues par les ex-époux, elles datent de 2003, soit de la période qui suit leur mariage; elles ne peuvent donc pas non plus attester du lien qui unissait les époux au moment de la demande naturalisation.
En définitive, le recourant n'apporte aucun élément propre à démontrer la survenance d'un événement extraordinaire postérieur à la signature de la déclaration commune et susceptible d'expliquer une dégradation aussi rapide du lien conjugal. L'intéressé ne rend pas non plus vraisemblable qu'en février 2006, au moment de la signature de la déclaration commune, il n'avait pas conscience du fait que la communauté conjugale n'était plus orientée vers l'avenir. Les éléments qu'il a avancés ne sont pas de nature à renverser la présomption établie. Il en découle que les conditions d'application de l'art. 41 LN sont réunies et que le Tribunal administratif fédéral n'a pas violé le droit fédéral en confirmant l'annulation de la naturalisation facilitée qui avait été octroyée au recourant.
3. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. Le recourant, qui succombe, doit supporter les frais de la présente procédure (<ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, fixés à 2'000 francs, sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire du recourant, à l'Office fédéral des migrations et au Tribunal administratif fédéral, Cour III.
Lausanne, le 26 juillet 2012
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
La Greffière: Arn