Faits:
A. La société Garage et carrosserie Z._ Sàrl (ci-après: Z._ Sàrl), de siège à Genève, exploite un garage à Genève.
Un contrat de bail a été signé entre la société Z._ Sàrl et F.A._ et H.A._, alors propriétaires de l'immeuble, pour une durée fixe de dix ans, du 1er septembre 1998 au 31 août 2008. Le loyer annuel a été arrêté à 180'000 fr., charges comprises, ou 15'000 fr. par mois.
Les locaux loués comprennent une vitrine pour la vente des véhicules, un atelier mécanique, un atelier de carrosserie, un tunnel de lavage, des locaux administratifs et des parkings intérieurs et extérieurs; ils représentent une surface d'environ 3'000 m2.
En cours de bail, l'immeuble abritant le garage a été vendu à X._ et Y._. Le contrat de vente contenait une disposition (art. 4) qui mentionnait que les locaux étaient remis à bail à Z._ Sàrl pour la période du 1er septembre 1998 au "31 octobre 2008 (sic)".
Deux procédures judiciaires ont opposé les nouveaux propriétaires et la locataire, alors que les intéressés étaient toujours liés par le bail. Le premier litige concernait des emplacements de parkings et le second se rapportait à des défauts de la chose louée.
Le 13 février 2008, les bailleurs, par l'intermédiaire de la régie qui les représentait, ont rappelé à la locataire l'échéance du bail, fixée au 31 août 2008.
B. B.a Le 7 mars 2008, la locataire a contesté la résiliation devant la Commission de conciliation en matière de baux et loyers compétente, considérant que le congé était nul pour ne pas avoir été signifié au moyen de la formule officielle; subsidiairement, elle requérait l'annulation du congé au motif qu'il était intervenu moins de trois ans après un litige ayant opposé les parties.
Par décision du 9 septembre 2008, la Commission de conciliation s'est déclarée incompétente à raison de la matière, relevant que les bailleurs n'avaient pas eu l'intention de notifier un congé à la locataire, le bail étant de durée déterminée; pour le surplus, elle a déclaré la cause non conciliée.
Le 1er octobre 2008, la locataire a porté l'affaire devant le Tribunal des baux et loyers du canton de Genève.
B.b Le 25 juin 2008, la locataire a également saisi la Commission de conciliation d'une requête en prolongation du bail de six ans, tout en reprenant ses conclusions en nullité, subsidiairement en annulation du congé. Par décision du 27 novembre 2008, ces dernières conclusions ont été déclarées irrecevables, pour cause de litispendance; quant à la demande de prolongation, elle a été accueillie favorablement, une unique prolongation de bail au 31 août 2011 ayant été accordée à la locataire.
Les 13 et 14 janvier 2009, le litige a été porté devant le Tribunal des baux et loyers du canton de Genève.
Par jugement du 5 novembre 2009, ce tribunal a retenu que les parties étaient liées par un contrat de durée déterminée, qui prenait effet le 1er septembre 1998 pour se terminer le 31 août 2008 et a débouté la locataire de ses conclusions en nullité et en annulation; une unique prolongation du bail au 31 décembre 2010 a été accordée à la locataire.
B.c Les bailleurs et la locataire ont saisi la Cour de justice du canton de Genève d'un appel. Les premiers s'opposaient à toute prolongation du bail en faveur de la locataire. Quant à celle-ci, elle plaidait l'existence d'un contrat de durée indéterminée et la nullité du congé, non communiqué sur formule officielle; à titre subsidiaire, elle demandait l'annulation du congé pour le même motif qu'évoqué jusqu'ici, à savoir la résiliation du contrat dans le délai de trois ans de l'art. 271a al. 1 let. e CO; plus subsidiairement, elle requérait l'octroi d'une prolongation de bail de six ans.
Par arrêt du 6 septembre 2010, la Chambre d'appel en matière de baux et loyers du canton de Genève a confirmé le jugement entrepris, à l'exception du chiffre 3 du dispositif, qui a été annulé.
A l'instar des premiers juges, les magistrats d'appel ont considéré que la volonté réelle et concordante des parties était de conclure un bail de durée fixe de dix ans. Après s'être livrée à une pesée des intérêts en présence, la Chambre d'appel a accordé à la locataire une unique prolongation du bail au 31 décembre 2011, en lieu et place de la prolongation au 31 décembre 2010 (chiffre 3 du dispositif annulé).
C. Les bailleurs (recourants) exercent un recours de droit civil au Tribunal fédéral. Se plaignant d'une violation de l'<ref-law> à un double titre, ils concluent à l'annulation de l'arrêt entrepris et à un prononcé de refus de toute prolongation du bail; pour le surplus, ils requièrent la confirmation de l'arrêt entrepris, sous suite de dépens.
La locataire (intimée) propose le rejet du recours.

Considérant en droit:
1. 1.1 Le recours est dirigé contre un jugement final (<ref-law>), rendu en matière civile (<ref-law>) et en dernière instance cantonale (<ref-law>). Il est formé par les bailleurs qui ont pris part à l'instance précédente et succombé dans leurs conclusions (<ref-law>). La valeur litigieuse correspond au loyer à acquitter, par la locataire, de la date de la décision attaquée jusqu'au terme de la prolongation contestée (<ref-ruling> consid. 1 p. 407); elle excède le minimum légal de 15'000 fr. prévu en matière de droit du bail à loyer (<ref-law>). Introduit en temps utile (art. 45 al. 1, 48 al. 1 et 100 al. 1 LTF) et dans les formes requises (art. 42 al. 1 à 3 LTF), le recours 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).
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. 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>). Il incombe à la partie recourante, qui entend s'écarter des constatations de l'autorité précédente, d'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 p. 287 s. et consid. 6.2 p. 288).
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>).
2. Le seul point litigieux devant le Tribunal fédéral est la prolongation du bail accordée jusqu'au 31 décembre 2011. Les recourants dénoncent à cet égard une violation de l'<ref-law>, en particulier de l'art. 272 al. 2 let. c CO, qui prévoit la prise en compte par l'autorité compétente, dans la pesée des intérêts, de la situation personnelle, familiale et financière des parties ainsi que de leur comportement.
Les juges cantonaux ont tout d'abord examiné la situation de la société exploitante au regard de sa clientèle et jugé que la société était légitimée à chercher des locaux équivalents dans le même quartier ou plus largement en ville de Genève, tout en relevant que les possibilités de trouver des locaux équivalents - d'une surface d'environ 3'000 m2 - permettant l'exploitation d'un garage-carrosserie, avec une station service, un espace de vente, un magasin et une station de lavage étaient peu nombreuses. Les magistrats ont ensuite considéré la durée déterminée du bail, qui permettait à la locataire de s'organiser suffisamment tôt pour trouver un garage de remplacement et observé qu'aucune démarche allant dans ce sens n'avait été établie, en particulier en ce qui concerne un local de 3'308 m2 situé dans le quartier ... proposé pour un loyer équivalent; les magistrats ont indiqué que les locataires n'avaient fourni aucune explication sur les raisons qui ont motivé leur refus de déménager dans les locaux en question. L'autorité cantonale a par ailleurs relevé qu'il n'était pas établi que la locataire n'avait pas pu amortir les investissements réalisés dans les locaux durant le bail. Dans ces circonstances, la Chambre d'appel a estimé que la difficulté de trouver des locaux équivalents ne permettait pas de fixer une longue prolongation du bail. Elle a toutefois précisé qu'il ne se justifiait pas de refuser toute prolongation au sens de l'<ref-law>. Pour déterminer la durée de la prolongation accordée, les juges cantonaux ont considéré l'importance du projet immobilier découlant de la vente future des parcelles concernées, qui répond à un besoin de logements accru en ville de Genève et qui correspond à un intérêt public manifeste, ainsi que le développement, qualifié de concret et de sérieux, du projet entre 2008 et 2009, même si, au moment de juger la cause, aucune demande d'autorisation de construire n'avait encore été déposée. En tenant compte de ces éléments, l'autorité cantonale a retenu que la surface louée devrait être vidée au 31 décembre 2011 pour permettre au chantier de s'ouvrir, précisant qu'à cette date l'intérêt de la locataire devait céder le pas devant l'intérêt des bailleurs à pouvoir récupérer les locaux en vue du démarrage du chantier.
3. Les recourants reprochent à la cour cantonale de n'avoir pas tenu compte, dans la pesée des intérêts, du "comportement procédural abusif" de l'intimée, qui doit se voir imputer les actes de son organe et ayant droit économique, M. B._. De leur point de vue, la locataire, en plaidant être au bénéfice d'un bail de durée indéterminée et en concluant à la nullité du congé au motif qu'il n'aurait pas été signifié sur formule officielle, a soutenu une thèse qu'elle savait fausse et a tenté par là d'obtenir un avantage auquel elle savait n'avoir aucun droit; ils en veulent pour preuve la constatation cantonale souveraine qui indique que "la volonté réelle et concordante des parties était de conclure un bail de durée fixe de dix ans et non pas un bail congéable à son échéance". Le comportement téméraire de la locataire et les fins indues qu'il poursuit, ajouté aux autres éléments d'appréciation, à savoir la durée d'emblée limitée du contrat, l'absence de tout préjudice financier subi par la locataire, le fait d'avoir renoncé à bénéficier de locaux équivalents et, enfin, le risque de non-réalisation du projet immobilier découlant de la présence de la locataire dans les locaux litigieux, justifient d'annuler l'arrêt entrepris et de refuser toute prolongation du bail.
On ne saurait valablement faire grief à la locataire d'avoir soutenu, dans le cadre du procès intenté aux bailleurs, que le contrat de bail était de durée indéterminée et qu'il devait donc être résilié sur formule officielle, puisqu'il s'agit là précisément de l'objet du litige porté devant les instances cantonales. Si les parties n'avaient pas adopté sur ce point des positions divergentes, il n'y aurait pas eu de procès. Ce n'est d'ailleurs qu'à l'issue de ce dernier que la question a été tranchée: après avoir apprécié les éléments de preuve à disposition, les magistrats cantonaux ont retenu que la réelle et commune volonté des parties était de conclure un bail de durée fixe de dix ans et non pas un bail congéable à son échéance. Dans leur analyse, les magistrats ont du reste relevé l'existence de clauses contractuelles contradictoires, ce qui permet de légitimer la ligne de défense adoptée par la locataire. Le fait, pour cette dernière, d'avoir soutenu la thèse d'un contrat de durée indéterminée ne révèle en rien une attitude répréhensible, qui pourrait lui être imputée. Il ne ressort par ailleurs pas des actes de la cause que la locataire aurait, par son comportement, commis un quelconque abus de droit; aucune conduite procédurale abusive ou téméraire de la locataire ne découle du dossier. C'est donc à tort que les recourants fondent leur critique sur de telles circonstances.
Les recourants reprochent encore à la cour cantonale de n'avoir pas tenu compte, dans leur appréciation, de la durée prévisible d'une éventuelle procédure d'évacuation de la locataire. Ils soutiennent également qu'il serait grossièrement inéquitable de faire supporter aux bailleurs le risque que le projet immobilier ne se réalise pas au motif que l'option de prolongation du bail jusqu'au 31 octobre 2011 figurant dans la promesse de vente signée par ces derniers ne puisse être honorée.
L'éventualité d'une procédure d'évacuation ultérieure ne constitue pas un élément propre au cas particulier, susceptible d'influer sur la fixation de la durée de la prolongation judiciaire du bail. Les recourants semblent manifestement perdre de vue que la procédure évoquée relève de la pure hypothèse. Il ne ressort en effet pas de l'état de fait souverain (<ref-law>) que la locataire ne quittera pas les locaux litigieux à la date prévue et rien au dossier ne permet de le dire. La locataire, qui n'a pas recouru contre le jugement cantonal, a même expressément indiqué, dans le cadre de la détermination déposée en réponse au recours de droit civil, avoir accepté la décision cantonale, qui lui paraît juste et raisonnable (détermination, ad 22, p. 7), ce qui plaide plutôt en faveur d'une libération des lieux le moment venu.
L'option de prolongation du bail jusqu'au 31 octobre 2011 figurant dans la promesse de vente intéresse les rapports noués entre les futurs acquéreurs et les bailleurs, liés par la promesse de vente. Les recourants tentent d'en tirer argument, en indiquant qu'il serait inéquitable de leur faire supporter le risque économique d'une renonciation des futurs acquéreurs à l'échéance susmentionnée. L'argumentation est, une nouvelle fois, dénuée de fondement, dès lors qu'il ne ressort pas du jugement entrepris que le projet immobilier ne se réalisera pas au motif que la prolongation accordée ne coïnciderait pas avec celle relatée dans la promesse de vente. Les magistrats n'ont au demeurant pas omis, dans l'examen de la situation sous l'angle des intérêts des bailleurs, d'évoquer l'option de prolongation mentionnée dans la promesse de vente. Il n'y a donc pas lieu d'accueillir favorablement le grief soulevé.
Les recourants ne remettent pas en cause les autres éléments qui ont fondé l'appréciation cantonale, laquelle est exempte de tout reproche. Cette dernière ménage en effet les intérêts de la locataire, qui bénéficiera en tout d'une prolongation de 3 ans et 4 mois, soit d'un peu plus de la moitié du maximum légal (<ref-law>); elle évite par ailleurs de nuire aux intérêts des bailleurs en provoquant un retard dans l'avancement du projet immobilier, étant précisé qu'une libération immédiate des locaux ne leur aurait pas été plus favorable, dès lors que la procédure d'autorisation de construire n'est pas encore en cours et que plusieurs mois s'écouleront nécessairement entre le dépôt de l'autorisation et le début du chantier. Les juges cantonaux ont en outre dûment tenu compte de l'objet particulier du bail, de la durée - déterminée - de ce dernier, des paramètres financiers liés à l'exploitation du garage loué, ainsi que du comportement de la locataire, notamment de l'absence de démarches entreprises pour trouver des locaux de remplacement (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 6 p. 195; <ref-ruling> consid. 2 p. 123; <ref-ruling> consid. 4b p. 230).
Cela étant, force est de constater que l'autorité cantonale n'a pas abusé du large pouvoir d'appréciation dont elle dispose en la matière (<ref-ruling> consid. 6 p. 195; <ref-ruling> consid. 2 p. 123; <ref-ruling> consid. 4b p. 230), en ayant accordé une unique prolongation du bail au 31 décembre 2011.
4. Sur le vu de ce qui précède, le recours en matière civile ne peut être que rejeté.
5. Les frais judiciaires et les dépens sont mis à la charge de la partie qui succombe (art. 66 al. 1 et 68 al. 1 et 2 LTF).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 5'000 fr., sont mis à la charge des recourants, solidairement entre eux.
3. Les recourants, solidairement entre eux, verseront à l'intimée une indemnité de 6'000 fr. à titre de dépens.
4. 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 16 décembre 2010
Au nom de la Ire Cour de droit civil
du Tribunal fédéral suisse
La Présidente: La Greffière:
Klett Crittin