Faits:
A. B._ travaillait comme conducteur de machines au service de l'entreprise X._ & Cie SA. A titre accessoire, il exerçait une activité de nettoyeur pour le compte de la société Y._ SA. Il est marié avec deux enfants.
Le 8 septembre 2000, alors qu'il se trouvait sur une pelleteuse à une hauteur de 1,6 mètres du sol pour en nettoyer les vitres, le prénommé a glissé et est tombé en se réceptionnant sur les pieds; dans sa chute, il a heurté sa tête (côté gauche) contre un poteau métallique et s'est cassé les lunettes. Il s'est plaint de maux de tête, d'une vision altérée ainsi que de cervicalgies, mais a continué à travailler. Quelque temps plus tard, il a ressenti des douleurs lombaires avec irradiation dans les jambes qui ont donné lieu à un traitement médical. Un cliché radiologique (du 29 novembre 2000) a révélé une légère ostéochondrose au niveau L5-S1 avec une petite hernie susceptible de causer une irritation de la racine S1, une protrusion minime en L4-L5 ainsi que des spondylarthroses lombaires légères. A partir de janvier 2001, B._ a présenté des périodes d'incapacité de travail variables; dès le 14 janvier 2002, il n'a plus travaillé. Le 12 septembre 2002, il a subi un nouvel accident : une chute dans les escaliers. Il est sous traitement psychiatrique depuis l'été 2003.
Après avoir dans un premier temps refusé d'intervenir, la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (CNA) - auprès de laquelle l'intéressé était assuré - a pris en charge le cas. Au vu de l'évolution défavorable de la situation (apparition progressive de troubles cognitifs), la CNA a ordonné plusieurs expertises médicales : ophtalmologique (rapport du 22 décembre 2003 des docteurs F._ et O._, de l'Hôpital Z._), psychiatrique (rapport du 20 avril 2004 des docteurs L._ et M._, de l'Hôpital Z._), orthopédique (rapport du 17 février 2005 du docteur R._, de l'Hôpital Z._) et, enfin, neurologique (rapport du 27 février 2006 du docteur B._). Sur la base de ces expertises, l'assureur-accidents a supprimé ses prestations au 31 août 2006, motif pris qu'il ne subsistait plus de séquelles en relation avec l'accident du 8 septembre 2000 (décision du 15 août 2006, confirmée sur opposition le 5 janvier 2007). Par jugement du 27 août 2008, le Tribunal administratif du canton de Berne a rejeté le recours formé par l'assuré contre la décision sur opposition de la CNA (cause 200.2007. 6278.LAA).
Entre-temps, le 26 juin 2002, B._ a présenté une demande de prestations à l'assurance-invalidité. Après avoir recueilli divers documents médicaux dont notamment le dossier CNA, l'Office AI du canton de Berne (ci-après : l'office AI) a organisé un stage d'observation professionnelle qui a été rapidement interrompu par l'assuré. Une expertise pluridisciplinaire a été confiée au Centre W._. Dans leur rapport du 27 juin 2007, les médecins de W._ ont posé les diagnostics de dégénérescence des disques intervertébraux au niveau L5-S1 sans compression radiculaire [M51.3], de syndrome d'impingement des deux hanches vraisemblablement congénitale [Q65.9] et de simulation [Z76.5]; ils sont arrivés à la conclusion que depuis janvier 2002, il aurait été exigible de l'assuré qu'il exerce à 100 % une activité adaptée et légère n'exigeant pas une position fixe ou courbée.
Le 3 août 2007, l'office AI a informé B._ qu'il entendait rejeter sa demande de prestations attendu qu'il présentait un degré d'invalidité de 38 %, soit un taux inférieur au seuil donnant droit à une rente d'invalidité. Par décision du 5 octobre 2007, il a maintenu cette prise de position.
Parallèlement, Helsana Assurances SA, en sa qualité d'assureur perte de gain en cas de maladie, a versé des indemnités journalières. A la demande de cet assureur, le degré de capacité de travail de B._ a fait l'objet de deux expertises (rapports du Centre V._ et de l'Institut U._, établis respectivement les 3 et 15 avril 2007). Par décision du 30 avril 2007, confirmée sur opposition le 9 août 2007, Helsana Assurances SA a mis un terme au versement de ses prestations. L'assuré a déféré la décision sur opposition au Tribunal administratif du canton de Berne, qui a partiellement admis son recours (jugement du 27 août 2008; cause 200. 2007.6362.CM).
B. Saisi d'un recours de B._ contre la décision de l'office AI (du 5 octobre 2007), le Tribunal administratif du canton de Berne, après avoir ordonné l'apport des procédures en matière d'accidents et de maladie, l'a rejeté par jugement du 27 août 2008.
C. Le prénommé interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il requiert l'annulation. Il conclut à l'allocation d'une rente d'invalidité entière, "éventuellement du 13 janvier 2001 au 5 octobre 2007"; à titre subsidiaire, au renvoi de la cause à l'office AI pour investigations complémentaires et nouvelle décision.
L'office AI conclut au rejet du recours. De son côté, l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer.

Considérant en droit:
1. Le recours en matière de droit public (<ref-law>) peut être formé pour violation du droit selon l'art. 95 sv. LTF. Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (<ref-law>), sans être limité par les arguments de la partie recourante ou par la motivation de l'autorité précédente. Eu égard à l'exigence de motivation prévue à l'art. 42 al. 1 et 2 LTF, il n'examine que les griefs invoqués, pour autant que les vices ne soient pas évidents. Il n'est pas tenu de traiter toutes les questions juridiques qui se posent, comme le ferait une autorité de première instance, lorsque celles-ci ne sont pas ou plus abordées devant lui. Le Tribunal fédéral statue par ailleurs sur la base des faits établis par l'autorité précédente (<ref-law>) sauf s'ils ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'<ref-law> (<ref-law>). Le recourant qui entend s'en écarter doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions de l'<ref-law> sont réalisées sinon un état de fait divergent ne peut être pris en considération.
2. Le jugement entrepris expose correctement les dispositions légales et la jurisprudence sur la notion d'invalidité et son évaluation ainsi que les principes jurisprudentiels relatifs à la valeur probante des rapports médicaux. Il suffit donc d'y renvoyer.
3. La juridiction cantonale a considéré que l'assuré était capable d'exercer, à plein temps et sans limitation de rendement, une activité adaptée légère. Elle s'est fondée pour cela sur le rapport d'expertise réalisé par W._. Les premiers juges ont en effet estimé que ce rapport avait pleine valeur probante dès lors que les conclusions médicales retenues reposaient sur des examens cliniques approfondis, tenaient compte de l'ensemble des éléments médicaux à disposition, et prenaient appui sur des considérations claires et convaincantes. S'agissant des conséquences, sur la capacité de travail, des troubles somatiques de l'assuré, les diverses expertises effectuées étaient concordantes pour dire que les limitations constatées ne constituaient pas un obstacle à l'exercice d'une activité légère. Quant à l'aspect psychique de son état de santé, toujours selon les premiers juges, il se justifiait de s'écarter de l'expertise psychiatrique de l'Hôpital Z._ selon laquelle B._ présentait un trouble de l'adaptation avec une réaction dépressive entraînant une incapacité de travail de 50 %. D'une part, cette expertise était antérieure de trois ans à celle de W._. D'autre part, elle accordait une large place à des facteurs étrangers à l'invalidité tels que le manque d'intégration sociale et la durée de l'incapacité de travail. D'ailleurs, l'absence d'une pathologie psychiatrique atteignant le seuil diagnostic se trouvait confirmée par l'expertise récente de V._. Contrairement au docteur E._, médecin traitant psychiatre, l'existence d'un trouble somatoforme douloureux ne pouvait pas davantage être retenu. Au sujet du manque de coopération et de l'attitude d'exagération de l'assuré mis en exergue par les médecins de W._ (surtout à l'occasion des examens neurologiques et neuro-psychologiques auxquels celui-ci avait été soumis), la juridiction cantonale a relevé qu'il ne s'agissait pas là d'une observation isolée mais d'une tendance qui se retrouvait dans de nombreux documents médicaux même si le comportement de B._ avait pu changer d'un examinateur à l'autre. Finalement, bien que l'office AI se fût fondé à tort sur l'année 2006 pour procéder à la comparaison des revenus déterminants (au lieu de l'année 2003), le résultat auquel il avait abouti n'était pas critiquable.
4. Le recourant se plaint d'une constatation manifestement inexacte des faits consécutive à une mauvaise appréciation des expertises au dossier. Il reproche aux premiers juges de s'être écartés de l'expertise psychiatrique de l'Hôpital Z._ alors que rien ne permettait d'admettre que son état de santé s'était amélioré depuis lors. Au contraire, dans un rapport du 17 septembre 2008, le docteur E._, qui le traitait depuis octobre 2003, avait diagnostiqué un syndrome psycho-organique avec divers déficits cognitifs qui s'était aggravé au fil des années. En outre, sa coopération avait été jugée bonne par la plupart des médecins; seuls les docteurs I._ et S._ de W._ avaient qualifié son comportement de simulation. Il était donc indispensable qu'il soit réexaminé au plan neurologique et neuro-psychologique.
5. 5.1 Lorsque le pouvoir d'examen est limité, le recourant ne peut critiquer les constatations de faits que si ceux-ci ont été établis de manière manifestement inexacte - notion qui correspond à celle d'arbitraire - ou en violation du droit au sens de l'<ref-law>, en particulier en violation de l'interdiction constitutionnelle de l'arbitraire. L'appréciation des preuves est arbitraire lorsqu'elle est manifestement insoutenable, en contradiction avec le dossier ou contraire au sens de la justice et de l'équité ou encore lorsque le juge a interprété les pièces du dossier de manière insoutenable, a méconnu des preuves pertinentes ou s'est fondé exclusivement sur une partie des moyens de preuve (<ref-ruling> consid. 4.3 p. 62, 120 Ia 31 consid. 4b p. 40, 118 Ia 28 consid. 1b p. 30).
5.2 Il convient d'ajouter qu'aux termes de l'<ref-law>, aucun fait nouveau, ni preuve nouvelle ne peut être présenté à moins de résulter de la décision de l'autorité précédente. Il n'y a donc pas lieu de prendre en considération le rapport du docteur E._ (du 17 septembre 2008) produit à l'appui du recours.
6. En l'occurrence, c'est en vain que le recourant se réfère à l'avis émis par les psychiatres de l'Hôpital Z._ pour contester l'évaluation, par les médecins de W._, de son état de santé à la date d'établissement de leur expertise. Ces médecins ont en effet constaté, à l'instar de ce que le docteur E._, avait déjà indiqué dans un rapport du mois de juin 2006 à l'intention de la CNA, que l'assuré ne présentait plus de signes dépressifs et que ses plaintes portaient principalement sur des difficultés de nature cognitive (perte de la mémoire, troubles de la concentration). Cela étant, les divers rapports du médecin traitant au dossier ne sont pas susceptibles de faire douter du bien-fondé de l'appréciation des experts de W._ sur l'absence de fondement médical aux troubles neuro-psychologiques décrits par l'assuré et dont la gravité a d'ailleurs conduit lesdits experts à évoquer une part de simulation. L'explication qu'ils ont donnée à cet égard - à savoir que les résultats des tests réalisés étaient incompatibles avec l'inexistence avérée de lésions cérébrales chez B._ - est convaincante. On notera que le neurologue mandaté par la CNA était également d'avis qu'il n'y avait aucune limitation de la capacité de travail sous l'angle neurologique, les problèmes de concentration et de mémoire devant être rapportés à une réaction psychologique négative d'une personnalité frustre et mal intégrée en Suisse (voir le rapport du docteur B._ du 27 février 2006). Au surplus, au vu de la divergence consacrée par la jurisprudence entre un mandat thérapeutique et un mandat d'expertise (<ref-ruling> consid. 4 p. 175; arrêt 9C_94/2009 du 29 avril 2009 consid. 3.3 et les arrêts cités), on ne saurait remettre en cause une expertise ordonnée par l'administration ou un juge et procéder à de nouvelles investigations du seul fait qu'un ou plusieurs médecins traitants ont une opinion contradictoire. En ce qui concerne, enfin, la situation médicale de l'assuré prévalant antérieurement à l'expertise de W._, le recours ne contient aucune motivation exposant en quoi le refus par les premiers juges de reconnaître l'existence d'une incapacité de travail invalidante violerait le droit ou serait arbitraire. On se limitera à constater que les psychiatres de l'Hôpital Z._ ont mis un accent particulier sur les problèmes d'intégration rencontrés par l'assuré, de sorte qu'il ne paraît en tout cas pas insoutenable d'avoir considéré que des facteurs étrangers à l'invalidité contribuaient de manière prépondérante à l'incapacité de travail (sur la portée des facteurs psycho-sociaux et sociaux-culturels lors de l'examen du caractère invalidant d'un trouble psychique voir <ref-ruling> consid. 5a p. 299).
Il s'ensuit qu'en niant le droit de B._ à une rente d'invalidité, la juridiction cantonale n'a pas violé le droit fédéral, étant précisé que le prénommé n'a adressé aucune critique sur les autres aspects du jugement entrepris, notamment l'appréciation de ses limitations physiques et l'évaluation proprement dite de son invalidité.
7. Vu l'issue du litige, les frais judiciaires sont mis à la charge du recourant (<ref-law>), qui ne peut prétendre de dépens (<ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 500 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué aux parties, au Tribunal administratif du canton de Berne, Cour des affaires de langue française, et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 7 juillet 2009
Au nom de la Ire Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Ursprung von Zwehl