Sachverhalt:
A. A.a A.X._ wurde von seiner Arbeitgeberin Bank Z._ AG vom August 2006 bis August 2009 als Managing Director in die Schweiz entsandt. Während dieser Zeit lebten er und seine Ehefrau B.X._ mit ihren Kindern in N._/ZH, wo sie der unbeschränkten Steuerpflicht unterlagen. In der Steuererklärung 2008 deklarierten die Eheleute ein steuerbares Einkommen von Fr. 2'739'300.-- (direkte Bundessteuer) bzw. Fr. 2'730'600.-- (Staats- und Gemeindesteuern), wobei sie eine Bonuszahlung in der Höhe von Fr. 522'408.-- gemäss einem selbst verfassten Dokument "Details zum Erwerbseinkommen vom 1.1.2008 - 31.12.2008" als Einkunft im Ausland würdigten. Der Steuererklärung wurden keine Lohnausweise beigelegt. Am 1. bzw. 8. Oktober 2009 reichten die Eheleute - zusammen mit einer neuen Version der "Details zum Erwerbseinkommen vom 1.1.2008 - 31.12.2008" - eine berichtigte Steuererklärung 2008 ein, die von einem steuerbaren Einkommen von Fr. 2'444'600.-- bzw. Fr. 2'435'900.-- ausging.
A.b Am 11. Januar 2011 setzte das kantonale Steueramt Zürich den Eheleuten X._ Frist zur Einreichung sämtlicher Lohnausweise, der Kopie des entsprechenden Bonusplans bzw. eines detaillierten Nachweises der vertraglichen Grundlagen der Bonuszahlungen, eines gültigen Arbeitsvertrages sowie weiterer Unterlagen. Am 3. Februar 2011 liessen die Eheleute dem Steueramt eine korrigierte dritte Version der "Details zum Erwerbseinkommen vom 1.1.2008 - 31.12.2008" zukommen und erklärten, es könne kein schweizerischer Lohnausweis und keine Kopie des Arbeitsvertrages mit der Bank Z._ USA beigebracht werden. Hingegen reichten sie ein im September 2007 abgeschlossenes Ruling zwischen der Bank Z._ AG und dem kantonalen Steueramt betreffend Mitarbeiterbeteiligungen ein. Am 22. Februar 2011 mahnte das Steueramt die Eheleute zur Einreichung der angeforderten Unterlagen.
B. Am 17. März 2011 veranlagte das Steueramt A.X._ und B.X._ nach pflichtgemässem Ermessen mit einem steuerbaren Einkommen von Fr. 3'213'800.-- (direkte Bundessteuer) bzw. Fr. 3'204'500.-- und einem steuerbaren Vermögen von Fr. 14'543'000.--(Staats- und Gemeindesteuer). Nachdem die Steuerpflichtigen Einsprache erhoben und dem Steueramt erneut eine korrigierte Version der "Details zum Erwerbseinkommen vom 1.1.2008 - 31.12.2008" zugestellt hatten, unterbreitete ihnen das Steueramt am 16. Mai 2011 einen Veranlagungsvorschlag im Einspracheverfahren. Dabei erhöhte das Steueramt im Sinne einer reformatio in peius das steuerbare Einkommen auf Fr. 6'101'100.-- (direkte Bundessteuer) bzw. Fr. 6'092'100.-- (Staats- und Gemeindesteuer) und setzte den Eheleuten Frist zur Stellungnahme bis 15. Juni 2011. Mit Entscheid vom 27. Juni 2011 (Versand am 28. Juni 2011) hiess das Steueramt die Einsprache (in Nebenpunkten) teilweise gut und setzte die Steuerfaktoren gemäss Veranlagungsvorschlag fest. Am 28. Juni 2011 ging dem Steueramt ein Schreiben der Eheleute (datiert am 24. Juni 2011) ein, in dem der Veranlagungsvorschlag abgelehnt wurde; zudem war dem Schreiben ein Schweizer Lohnausweis des Ehemannes beigelegt.
Die gegen den Einspracheentscheid erhobenen Beschwerde und Rekurs wies das Steuerrekursgericht des Kantons Zürich am 28. Oktober 2011 ab. Die gegen den Entscheid der Rekurskommission erhobene Beschwerde an das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich wies dieses mit Urteilen vom 3. Oktober 2012 ab.
C. Mit je separaten Eingaben vom 4. Dezember 2012 erheben A.X._ und B.X._ Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten beim Bundesgericht. Sie beantragen, die Entscheide des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 3. Oktober 2012 seien aufzuheben und die steuerbaren Faktoren seien wie folgt festzulegen: steuerbares und satzbestimmendes Einkommen Fr. 2'767'689.-- für die direkte Bundessteuer bzw. steuerbares Einkommen Fr. 2'758'379.--/ satzbestimmendes Einkommen Fr. 2'763'889.-- für die Staats- und Gemeindesteuern. Eventualiter sei der angefochtene Entscheid aufzuheben und die Sache zur Neubeurteilung an das Kantonale Steueramt zurückzuweisen.
Das Kantonale Steueramt Zürich und das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich schliessen auf Abweisung der Beschwerden, soweit darauf einzutreten sei. Die Eidgenössische Steuerverwaltung beantragt in Bezug auf die direkte Bundessteuer die Abweisung der Beschwerde, in Bezug auf die Staats- und Gemeindesteuern verzichtet sie auf einen Antrag.

Erwägungen:
1. 1.1 Die vorliegenden Beschwerden richten sich gegen zwei praktisch übereinstimmende Urteile, betreffen dieselben Parteien und werfen identische Rechtsfragen auf. Es rechtfertigt sich deshalb, die Verfahren zu vereinigen und die Beschwerde in einem einzigen Urteil zu erledigen (vgl. <ref-law> in Verbindung mit <ref-law>; <ref-ruling> E. 1 S. 60 f. mit Hinweis).
1.2 Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten ist gemäss <ref-law> in Verbindung mit Art. 146 des Bundesgesetzes vom 14. Dezember 1990 über die direkte Bundessteuer (DBG; SR 642.11) sowie Art. 73 des Bundesgesetzes vom 14. Dezember 1990 über die Harmonisierung der direkten Steuern der Kantone und Gemeinden (StHG; SR 642.14) zulässig. Die Beschwerdeführer sind zur Beschwerde legitimiert (<ref-law>).
1.3 Das Bundesgericht wendet das Recht von Amtes wegen an (<ref-law>). Es ist folglich weder an die in der Beschwerde geltend gemachten Argumente noch an die Erwägungen der Vorinstanz gebunden. Immerhin prüft das Bundesgericht, unter Berücksichtigung der allgemeinen Rüge- und Begründungspflicht (Art. 42 Abs. 1 und 2 BGG; vgl. <ref-ruling> E. 2.1 S. 245 f.), grundsätzlich nur die geltend gemachten Rügen, sofern die rechtlichen Mängel nicht geradezu offensichtlich sind (<ref-ruling> E. 1.4.1 S. 254). Eine qualifizierte Rügepflicht gilt hinsichtlich der Verletzung von Grundrechten und von kantonalem und interkantonalem Recht. Das Bundesgericht prüft solche Rügen nur, wenn sie in der Beschwerde präzise vorgebracht und begründet worden sind (<ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 1.4.2 S. 254; <ref-ruling> E. 1.4 S. 287). Eine diesen Anforderungen genügende Begründung ist vorliegend nur teilweise zu erkennen.
1.4 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den von der Vorinstanz festgestellten Sachverhalt zugrunde (<ref-law>). Die Feststellung des Sachverhalts kann nur gerügt bzw. vom Bundesgericht von Amtes wegen berichtigt oder ergänzt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht (<ref-law> bzw. <ref-law>). Eine entsprechende Rüge, welche rechtsgenüglich substantiiert vorzubringen ist (Art. 42 Abs. 2 und <ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 1.4.3 S. 254 f.), setzt zudem voraus, dass die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>). Neue Tatsachen und Beweismittel dürfen nur soweit vorgebracht werden, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt (<ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 1.5 S. 146 f.).
I. Direkte Bundessteuer
2. 2.1 Hat der Steuerpflichtige trotz Mahnung seine Verfahrenspflichten nicht erfüllt oder können die Steuerfaktoren mangels zuverlässiger Unterlagen nicht einwandfrei ermittelt werden, so nimmt die Veranlagungsbehörde die Veranlagung nach pflichtgemässem Ermessen vor (<ref-law>).
2.2 Die Vorinstanz hat mit zutreffender Begründung, auf die verwiesen werden darf, die Voraussetzungen für die Vornahme einer Ermessensveranlagung nach <ref-law> dargelegt und in haltbarer Weise erwogen, dass mangels der angeforderten Unterlagen (Lohnausweis, Arbeitsvertrag, Bonusplan, usw.) das steuerbare Einkommen nach pflichtgemässem Ermessen zu schätzen war (vgl. angefochtener Entscheid E. 2.3). Unerheblich ist, aus welchen Gründen die Beschwerdeführer - trotz mehrfacher Mahnungen - die genaue Entwicklung der Einkünfte nicht belegen konnten oder wollten. Für die Vornahme einer Veranlagung nach pflichtgemässem Ermessen genügt es, dass die Steuerfaktoren mangels zuverlässiger Unterlagen nicht einwandfrei ermittelt werden können; ein Verschulden ist nicht erforderlich (Urteil 2C_279/2011 vom 17. Oktober 2011 E. 2.2, in: StE 2012 B 93.5 Nr. 26).
3. 3.1 Der Steuerpflichtige kann eine Ermessensveranlagung nur wegen offensichtlicher Unrichtigkeit anfechten. Die Einsprache ist zu begründen und muss allfällige Beweismittel nennen (<ref-law>). Die Erfordernisse der Begründung und der Nennung der Beweismittel stellen bei Einsprachen, die gegen eine Ermessenseinschätzung erhoben werden, Prozessvoraussetzungen dar (<ref-ruling> E. 2.3 S. 551; <ref-ruling> E. 4c S. 557 f.; Urteil 2C_504/2010 vom 22. November 2011 E. 2.1, in: StR 67/2012 S. 143; je mit Hinweisen).
3.2 Der Nachweis der offensichtlichen Unrichtigkeit ist nach der bundesgerichtlichen Rechtsprechung umfassend zu führen und kann nicht nur einzelne Positionen der Ermessensveranlagung betreffen. Vielmehr wird der Steuerpflichtige, der seine Mitwirkungspflichten im Veranlagungsverfahren nicht erfüllt und dadurch eine Ermessensveranlagung bewirkt hat, in der Regel die versäumten Mitwirkungshandlungen nachholen - also eine nicht eingereichte Steuererklärung bzw. fehlende Belege nachträglich vorlegen - müssen, um die Einsprache genügend zu begründen. Der Unrichtigkeitsnachweis muss zudem mit der Begründung der Einsprache und damit innert der Einsprachefrist angeboten werden (Urteil 2C_504/2010 vom 22. November 2010 E. 2.2 mit Hinweisen, in: StR 67/2012 S. 143).
3.3 Offensichtlich unrichtig ist eine Schätzung, die einen wesentlichen Gesichtspunkt übergangen oder falsch gewürdigt hat. Das Bundesgericht ist an die Ermessenseinschätzung gebunden, wenn sie auf einer richtigen und vollständigen Sachverhaltsermittlung und auf einer sachgerechten Abwägung der Gesamtheit der für die Veranlagung massgebenden Verhältnisse beruht, wobei den zuständigen Behörden ein gewisser Spielraum für die zahlenmässige Auswertung der Untersuchungsergebnisse zusteht; solange sich ihre Schätzung im Rahmen des so gegebenen Spielraums hält, kann das Bundesgericht nicht eingreifen (Urteil 2C_279/2011 vom 17. Oktober 2011 E. 3.1 mit Hinweis, in: StE 2012 B 93.5 Nr. 26).
3.4 Die Beschwerdeführer rügen die Verletzung von Bundesrecht (Art. 9 und 127 Abs. 2 BV, Art. 127 und 130 DBG) und kantonalem Recht (analoge Bestimmungen des Zürcher Steuergesetzes; vgl. E. 4.1 hiernach). Sie machen im Wesentlichen geltend, der Sachverhalt sei vor Ende des Einspracheverfahrens und erst recht vor den Rechtsmittelinstanzen des Kantons Zürich genügend liquid gewesen, um eine ordentliche Einschätzung/Veranlagung vorzunehmen. Zudem sei das Novenverbot zu restriktiv angewandt sowie die Untersuchungspflicht verletzt worden. Weiter sind die Beschwerdeführer der Ansicht, die Ermessenseinschätzung sei nicht pflichtgemäss vorgenommen worden. Die Verdoppelung der geschätzten steuerbaren Einkünfte sei willkürlich und trage "pönale Züge".
3.5 Die Rügen der Beschwerdeführer vermögen - sofern die Begründungsanforderungen (vgl. E. 1.3 hiervor) überhaupt erfüllt sind - bei näherer Betrachtung nicht zu überzeugen.
3.5.1 So trifft es entgegen der Darstellung der Beschwerdeführer nicht zu, dass noch im Verlauf des Einspracheverfahrens ein "materiell korrekter Lohnausweis" des Ehemannes vorgelegen habe. Vielmehr hat die Vorinstanz verbindlich festgestellt (vgl. E. 1.4 hiervor), dass die eingeforderten Belege nicht innerhalb der 30-tägigen Rechtsmittelfrist nach Eröffnung der Veranlagungsverfügung eingereicht worden sind. Die mit Schreiben vom 24. Juni 2011 eingereichten Unterlagen sind somit - trotz mehrfacher Mahnungen - verspätet eingegangen. Im Übrigen trifft auch die Behauptung nicht zu, der Lohnausweis sei noch vor Eröffnung des Einspracheentscheides eingereicht worden: Zwar hat das Steueramt den Steuerpflichtigen am 16. Mai 2011 einen Einschätzungsvorschlag im Einspracheverfahren unterbreitet und ihnen nochmals eine Frist bis zum 15. Juni 2011 gesetzt, um entweder die Einsprache zurückzuziehen oder Einwendungen schriftlich und mit Belegen geltend zu machen. Auch diese Frist haben die Beschwerdeführer jedoch wiederum ungenutzt verstreichen lassen. Sie haben erst mit Schreiben vom 24. Juni 2011 reagiert; das Schreiben ging - gemäss den verbindlichen Feststellungen der Vorinstanz - am 28. Juni 2011 beim Steueramt ein, der Einspracheentscheid datiert vom 27. Juni 2011 und konnte deshalb das Schreiben der Beschwerdeführer nicht mehr berücksichtigen.
3.5.2 Sodann hat das Verwaltungsgericht zu Recht festgestellt, dass der Lohnausweis vom 23. Juni 2011 (mit oben erwähntem Schreiben vom 24. Juni 2011 eingereicht) vor dem Steuerrekursgericht zwar als neues Beweismittel zugelassen war, aber den formellen Anforderungen (insbesondere Name und Anschrift der Arbeitgeberin, Bezeichnung der für den Lohnausweis zuständigen Person inkl. Telefonnummer) nicht zu genügen vermag (vgl. angefochtener Entscheid E. 2.6).
Die Beschwerdeführer rügen als überspitzt formalistisch, dass die Vorinstanz den Lohnausweis wegen dessen formeller Mängel nicht berücksichtigt habe. Indessen hat bereits das Steuerrekursgericht zwar auf die formellen Mängel hingewiesen, aber sich trotzdem auch inhaltlich mit dem Lohnausweis auseinandergesetzt und ist zum Ergebnis gekommen, dass die von den Beschwerdeführern eingereichten Unterlagen (samt Lohnausweis) nicht geeignet sind, das Einkommen pro 2008 zweifelsfrei zu belegen. Das Verwaltungsgericht hat sich im Rahmen der ihm unter diesen Umständen zustehenden Kognition mit den Vorbringen der Beschwerdeführer auseinandergesetzt und hat namentlich auch erwogen, dass die Angaben der Pflichtigen, insbesondere in Bezug auf die Mitarbeiterbeteiligungspläne, nach wie vor nicht belegt seien. Was die Beschwerdeführer dagegen vorbringen, stimmt weitgehend wortwörtlich mit ihren Darlegungen in der Beschwerde an das Verwaltungsgericht überein. Eine Auseinandersetzung mit den Erwägungen der Vorinstanz findet folglich nicht statt, so dass insoweit die Anforderungen an die Beschwerdebegründung (<ref-law>) und erst recht die strengeren Rüge-Anforderungen nach <ref-law> (vgl. E. 1.3 hiervor) nicht erfüllt sind.
3.5.3 Was die Beschwerdeführer im Weiteren vorbringen, ist nicht geeignet, den angefochtenen Entscheid als bundesrechtswidrig erscheinen zu lassen. Soweit sie geltend machen, die Steuerbehörden hätten den Untersuchungsgrundsatz verletzt und sich wegen des fehlenden Lohnausweises direkt an die Arbeitgeberin richten müssen, ist zu bemerken, dass die Veranlagungsbehörde gemäss <ref-law> zwar die nötigen Bescheinigung von Dritten (z.B. dem Arbeitgeber) einfordern kann, sie dazu aber nicht verpflichtet ist (RICHNER/FREI/ KAUFMANN/MEUTER, Handkommentar zum DBG, 2. Aufl. 2009, Art. 127 N. 25).
Die Beschwerdeführer verkennen sodann grundsätzlich, dass es an ihnen gelegen hätte, nach Missachtung der Mitwirkungspflichten im Veranlagungsverfahren die betreffenden Unterlagen der Steuerverwaltung zu unterbreiten, was sie innert gesetzter Frist unterlassen haben. Vor der Vorinstanz stellte sich damit nur noch die Frage, inwieweit das Steueramt im Einspracheverfahren die Einwände bezüglich der ermessensweisen Veranlagung des steuerbaren Einkommens zu Recht nicht an die Hand genommen hat, wozu sie nach dem vorstehend Ausgeführten berechtigt war, weil den Beschwerdeführern in jenem Verfahren der Nachweis der offensichtlichen Unrichtigkeit der amtlichen Veranlagung (mangels Einreichung der einverlangten Unterlagen) nicht gelungen war. Dass sich dieser Nachweis - allenfalls - anhand der erst vor der Vorinstanz eingereichten Unterlagen hätte erbringen lassen, ist dabei unerheblich (Urteil 2C_504/2010 vom 22. November 2011 E. 2.6, in: StR 67/2012 S. 143).
3.5.4 Soweit die Beschwerdeführer im Eventualantrag schliesslich ausführen, die angefochtene Einschätzung genüge den Grundsätzen des pflichtgemässen Ermessens nicht und sei offensichtlich unrichtig und damit willkürlich, kann ihnen ebenso wenig gefolgt werden.
Das kantonale Steueramt hat das steuerbare Einkommen der Beschwerdeführer auf rund Fr. 6 Mio. geschätzt. Dass diese Schätzung im Sinne der zitierten Praxis (vgl. E. 3.3 hiervor) offensichtlich unrichtig ist, vermögen die Beschwerdeführer jedoch nicht darzutun (vgl. auch Urteil 2A.113/2005 vom 16. September 2005 E. 4.1.3, nicht publ. in: <ref-ruling>; BGE <ref-ruling> E. 4c S. 557). Ein solches Einkommen ist auch für einen Managing Director einer Grossbank, der sich für 650 Mitarbeitende verantwortlich zeigte, durchaus mit der allgemeinen Lebenserfahrung vereinbar. Wie die Vorinstanz zu Recht ausführt, gilt dies insbesondere auch im Lichte der Vorjahreseinkommens von Fr. 6'118'300.-- bzw. Fr. 6'112'000.-- (vgl. angefochtener Entscheid E. 3.5).
Diese Schätzung ist zudem - entgegen der Ansicht der Beschwerdeführer - durchaus begründet; das Steueramt hat sich auf die eingereichte Lohnaufstellung gestützt, die etwa einen Bonus in der Höhe von Fr. 3,52 Mio. enthält. Für die dort erwähnten Abzüge fehlten nähere Angaben oder Belege, namentlich auch bezüglich den Abzug von rund Fr. 2,24 Mio. "Super EOP". Für alles Weitere kann auf den angefochtenen Entscheid (E. 3) verwiesen werden: Die Einkommensverhältnisse der Beschwerdeführer bleiben bis zum heutigen Zeitpunkt im Dunkeln, obwohl es bezüglich der Mitarbeiterbeteiligungsprogramme "EOP" und "Super EOP" möglich gewesen wäre, die zweckdienlichen Belege fristgerecht einzureichen. Zu Recht hat die Vorinstanz sodann ausgeführt, dass die Behauptungen des Beschwerdeführers, bestimmte Besteuerungspläne (A oder B) für Mitarbeiterbeteiligungen gewählt zu haben, verspätet erfolgt seien und damit als nicht erwiesen zu gelten haben. Als ebenso wenig willkürlich erweist sich der Schluss der Vorinstanz, die in der erwähnten Lohnaufstellung aufgeführten steuermindernden Abzüge seien aufgrund der Beweislastverteilung zu Ungunsten der Beschwerdeführer nicht zu berücksichtigen.
3.6 Daraus ergibt sich, dass die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten betreffend die direkte Bundessteuer abzuweisen ist.
II. Staats- und Gemeindesteuern
4. 4.1 Die Rechtslage hinsichtlich einer Ermessenstaxation ist bei den Staats- und Gemeindesteuern dieselbe wie bei der direkten Bundessteuer: Nach Art. 46 Abs. 3 StHG bzw. § 139 Abs. 2 des Steuergesetzes [des Kantons Zürich] vom 8. Juni 1997 (StG/ZH; LS 631.1) ist eine solche dann zulässig, wenn der Steuerpflichtige trotz Mahnung seine Verfahrenspflichten nicht erfüllt hat oder die Steuerfaktoren mangels zuverlässiger Unterlagen nicht einwandfrei ermittelt werden können. Ermessenstaxationen können im Einspracheverfahren (und auch im nachfolgenden Rekursverfahren) nur wegen offensichtlicher Unrichtigkeit angefochten werden; die Einsprache ist zu begründen und muss allfällige Beweismittel nennen (vgl. Art. 48 Abs. 2 StHG und § 140 Abs. 2 StG/ZH). Diese Vorschriften stimmen wörtlich überein mit den entsprechenden Bestimmungen über die direkte Bundessteuer (Art. 130 Abs. 2 bzw. <ref-law>). Das für die direkte Bundessteuer Ausgeführte gilt somit auch für die Staats- und Gemeindesteuern, und es kann auf die vorstehenden Erwägungen hierzu verwiesen werden.
4.2 Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten ist daher auch betreffend die Staats- und Gemeindesteuern abzuweisen.
III. Kosten und Entschädigung
5. Dem Verfahrensausgang entsprechend sind die Kosten des bundesgerichtlichen Verfahrens den Beschwerdeführern zu gleichen Teilen unter solidarischer Haftung aufzuerlegen (Art. 65 f. BGG). Es ist keine Parteientschädigung geschuldet (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Verfahren 2C_1205/2012 und 2C_1206/2012 werden vereinigt.
2. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten betreffend die direkte Bundessteuer (2C_1206/2012) wird abgewiesen.
3. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten betreffend die Staats- und Gemeindesteuern (2C_1205/2012) wird abgewiesen.
4. Die Gerichtskosten von insgesamt Fr. 15'000.-- werden den Beschwerdeführern je zur Hälfte unter solidarischer Haftung auferlegt.
5. Dieses Urteil wird den Beschwerdeführern, dem Kantonalen Steueramt Zürich, dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 2. Kammer, und der Eidgenössischen Steuerverwaltung schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 25. April 2013
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Zünd
Der Gerichtsschreiber: Winiger