Faits:
A. Par actes notariés des 16 mai et 15 juin 2007, V._ (active dans le domaine de la promotion immobilière), soit l'entrepreneur X._, a vendu à Y._ Sàrl, société avec siège au Luxembourg ayant notamment pour but l'achat, la vente, la mise en location et l'administration de biens immobiliers, quatre parcelles situées à .... Cette dernière société prévoyait d'y construire plusieurs bâtiments contenant des bureaux.
L'exécution de la vente était subordonnée à l'obtention par Y._ Sàrl, auprès de la banque A._ AG, d'un crédit destiné à assurer le financement de l'acquisition et de la construction du projet immobilier.
Le 16 mai 2007, Y._ Sàrl (ci-après: la "bailleresse") et V._, soit X._ (ci-après: le "locataire"), ont signé une "Promesse de bail à loyer pour locaux commerciaux" portant sur une surface de 1'800 m2; elle prévoyait le début de la location dès l'achèvement des travaux (en principe fin décembre 2008), le bail étant alors conclu pour une durée de dix ans, la résiliation après une échéance de cinq ans étant toutefois admise moyennant un préavis; la promesse de bail exigeait de la "bailleresse" de signifier au "locataire" la date d'entrée en possession des locaux un mois à l'avance, l'avenant "valant contrat de bail" devant être signé dix jours au moins avant l'entrée en possession.
Le loyer annuel pour les bureaux, les places de parc intérieures, les surfaces de stockage et de dépôt, ainsi que les frais pour les charges hors taxes (estimation) étaient au total de 628'840 fr.
Une promesse de bail similaire à celle du "locataire" a été signée pour des surfaces d'environ 3'500 m2 dans l'un des bâtiments du complexe immobilier par B._ SA. Un prébail devait être également signé par un troisième "locataire", mais les négociations ont finalement échoué. Considérant que le niveau de prélocation était néanmoins rempli, la banque A._ AG a accordé à la "bailleresse" l'emprunt sollicité.
Le 26 novembre 2008, la "bailleresse" a adressé à V._ un avenant à la promesse de bail à loyer, arrêtant la date du début de la location au 13 janvier 2009. Le même jour, elle lui a également envoyé deux factures de 119'919 fr.15 et 6'429 fr.95, en paiement des loyers et des charges du 13 janvier au 31 mars 2009. Deux commandements de payer ont été notifiés à V._ SA le 17 mars 2009; X._ a fait opposition totale.
La cour cantonale a exposé qu'un avenant arrêtant le début de la location avait également été adressé à B._ SA; cette société est depuis lors locataire des locaux convenus dans la promesse de bail qu'elle avait signée précédemment.
B. Après l'échec de la conciliation, la "bailleresse", par demande du 30 octobre 2009, a ouvert action contre V._ (soit X._), concluant à ce que la conclusion du bail entre les parties, ayant débuté le 13 janvier 2009, soit constatée et, subsidiairement, à ce que l'entreprise défenderesse soit condamnée à conclure le bail conformément à la promesse de bail du 16 mai 2007 et à son avenant du 26 novembre 2008.
La défenderesse a conclu au rejet de la demande. Elle soutient notamment que l'acte litigieux (la promesse de bail) est inefficace puisqu'il ne constitue tout au plus qu'un acte simulé destiné à présenter à la banque A._ AG un "dossier solide" en vue de la délivrance d'un crédit de financement, auquel était conditionné l'acte de vente immobilière.
Divers témoins ont été entendus.
Le Tribunal des baux du canton de Vaud, par jugement du 23 novembre 2010, a constaté la validité de la promesse de bail et condamné le "locataire" à conclure le bail. En substance, les juges ont considéré que l'entreprise individuelle "V._" n'avait pas une personnalité distincte de celle de l'entrepreneur X._. Ils ont relevé que les parties avaient signé une promesse de bail et que le défendeur n'avait pas apporté la preuve qu'il s'agissait d'une simulation. Enfin, ils ont retenu que la signature d'un avenant valant contrat de bail définitif était un point subjectivement essentiel du contrat et que, en l'absence d'un tel document signé par le défendeur, le contrat de bail n'était pas venu à chef et ne pouvait pas être exécuté.
Le 29 février 2012, la Chambre des recours du Tribunal cantonal vaudois a rejeté le recours formé par V._, soit X._, et confirmé le jugement entrepris.
C. Le "locataire" exerce un recours en matière civile au Tribunal fédéral contre l'arrêt cantonal du 29 février 2012. Il conclut à sa réforme en ce sens que les conclusions de la "bailleresse" soient rejetées, sous suite de frais et dépens. Le recourant reproche à la cour cantonale d'avoir violé les art. 1, 8, 18 et 22 CO, respectivement d'avoir appliqué arbitrairement ces dispositions, et d'avoir apprécié arbitrairement les preuves (art. 9 Cst.).
L'intimée conclut au rejet du recours et à la confirmation de l'arrêt entrepris, sous suite de frais et dépens.
L'effet suspensif sollicité par le recourant a été accordé par ordonnance présidentielle le 11 juillet 2012.

Considérant en droit:
1. 1.1 L'accord litigieux est une promesse de contracter un bail commercial (cf. <ref-law>). Pour la question de la valeur litigieuse (cf. <ref-law>), il n'importe que l'on ne soit pas en présence, formellement, d'un contrat de bail à loyer; il n'est pas contesté en l'espèce que la cause relève (directement) du bail à loyer (cf. arrêt 4A_719/2011 du 7 mars 2012 consid. 1.1) et il y a lieu d'appliquer l'<ref-law>. La promesse de bail litigieuse fait référence à un bail de durée déterminée. La valeur litigieuse équivaut dès lors au loyer pendant la durée convenue (<ref-ruling> consid. 1.1 p. 197). La promesse de bail, qui fixe un loyer annuel net de plus de 620'000 fr., prévoit une période minimale de cinq ans. La valeur litigieuse de 15'000 fr. prévue à l'<ref-law> est ainsi très largement atteinte.
Interjeté par la partie qui a succombé dans ses conclusions libératoires (cf. <ref-law>) et dirigé contre un arrêt final (<ref-law>) rendu en matière civile (<ref-law>), le recours est en principe recevable, puisqu'il a été déposé dans le délai (art. 48 al. 1 et 100 al. 1 LTF) et la forme (<ref-law>) prévus par la loi.
1.2 Le recours en matière civile peut être interjeté pour violation du droit fédéral (<ref-law>), y compris le droit constitutionnel (<ref-ruling> consid. 2.1 p. 247; <ref-ruling> consid. 2.4 p. 313).
Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (<ref-law>). Il n'est pas limité par les arguments soulevés dans le recours ni par la motivation retenue par l'autorité précédente; il peut donc admettre un recours pour d'autres motifs que ceux qui ont été articulés, ou à l'inverse, rejeter un recours en adoptant une argumentation différente de celle de l'autorité précédente (<ref-ruling> consid. 1.4 p. 317 s.; <ref-ruling> consid. 1.4 et l'arrêt cité). 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. 1.3 p. 584; <ref-ruling> consid. 2.2.1 p. 389; <ref-ruling> consid. 1.4).
Par exception à la règle selon laquelle il applique 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>; ATF <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 constatations factuelles de l'autorité cantonale ont été établies de façon manifestement inexacte - notion qui correspond à celle d'arbitraire telle que l'entend l'art. 9 Cst. (<ref-ruling> consid. 4.1.2 p. 62; <ref-ruling> consid. 5.1 p. 356) - 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 (ATF <ref-ruling> consid. 5.1 p. 356; <ref-ruling> consid. 1.2 p. 187). Si la partie recourante invoque l'arbitraire dans l'appréciation des preuves et l'établissement des faits, elle doit montrer, par une argumentation précise en se référant si possible aux pièces du dossier, que la décision cantonale est insoutenable (arrêts 4A_39/2010 du 29 avril 2010 consid. 1.3; 4A_621/2009 du 25 février 2010 consid. 1.3). Encore faut-il que la correction demandée soit susceptible d'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>).
Dans la partie "Faits" de son mémoire (p. 4 à 8), le recourant présente un état de fait "corrigé et complété". Il ne démontre toutefois pas, en se pliant aux exigences strictes rappelées ci-dessus, que la cour cantonale aurait établi certains points de fait déterminés de manière insoutenable; il n'y a donc pas lieu de s'écarter des faits retenus par l'autorité précédente.
Quant aux indications données par le recourant sur le coût des équipements des locaux litigieux (recours p. 14), elles constituent des faits nouveaux dont le Tribunal fédéral ne peut tenir compte.
1.4 Le Tribunal fédéral ne peut aller au-delà des conclusions des parties (<ref-law>). Toute conclusion nouvelle est irrecevable (<ref-law>).
2. En raison du siège au Luxembourg de la société intimée, la cause revêt un caractère international. Le Tribunal fédéral doit alors examiner d'office la question du droit applicable (<ref-ruling> consid. 4 p. 614, 626 consid. 2 p. 629; <ref-ruling> consid. 2 p. 515). Celle-ci doit être tranchée à la lumière du droit international privé du for (<ref-ruling> consid. 2.1 p. 261; <ref-ruling> consid. 2 p. 39, 323 consid. 2.1 p. 327 s.).
En l'espèce, le contrat litigieux a trait à l'usage d'un immeuble au sens de l'<ref-law>; il n'importe à cet égard qu'il s'agisse "seulement" d'une promesse de contracter (cf. <ref-ruling> consid. 4 p. 554). Cette convention a été soumise par les parties au droit suisse, qui est donc applicable (<ref-law>).
3. 3.1 Le recourant objecte qu'il n'a pas la qualité pour défendre. En soutenant qu'il a été désigné de façon inexacte dans la procédure, il fait en réalité référence à la qualité de partie (ou capacité d'être partie). Même si la cour cantonale a parfois utilisé une terminologie imprécise, on comprend à la lecture de l'arrêt entrepris qu'elle s'est prononcée sur la qualité de partie, indépendante de la légitimation au fond (sur ces notions: cf. <ref-ruling> consid. 2b/bb p. 55).
Il faut observer ici que l'arrêt attaqué est fondé sur une double motivation. La cour cantonale a considéré qu'il "ne ressort pas du dossier que le recourant a soulevé devant les premiers juges une exception de procédure s'agissant de sa qualité pour défendre [recte: qualité de partie], si bien qu'il ne saurait le faire devant l'instance de recours"; l'autorité précédente a ajouté que "quoi qu'il en soit", l'action a été, sans aucun équivoque, ouverte contre X._, en sa qualité d'exploitant de l'entreprise V._.
Le recourant n'a attaqué que la seconde des motivations alternatives. Il a laissé intacte la première argumentation de l'autorité précédente qui suffit à justifier la décision attaquée. A cet égard, il ne prétend en particulier pas qu'une disposition du Code de procédure civile vaudois - alors encore en vigueur (cf. <ref-law>) - aurait été appliquée arbitrairement, ni qu'il aurait soulevé l'exception en première instance.
Le recourant ne s'est donc pas conformé à l'exigence de recevabilité posée par la jurisprudence (<ref-ruling> consid. 6.3 p. 120 s.) et il n'y a pas lieu d'entrer en matière sur son argumentation.
3.2 Subsidiairement, le recourant soutient qu'il n'est pas lié par l'acte litigieux. Sur ce point, il ne semble toutefois pas développer une argumentation qui serait indépendante de celle fournie en lien avec sa démonstration visant à établir l'intention des parties de conclure un acte simulé; il n'y aura lieu d'y revenir, si nécessaire, qu'en rapport avec ce grief (cf. infra consid. 4).
4. Le recourant soutient que les parties n'avaient pas la volonté de se lier par un bail ou une promesse de contracter un bail, mais qu'elles ont conclu un acte juridique simulé exclusivement pour disposer d'un dossier solide dans le but de se voir octroyer un crédit bancaire. Il conclut à l'inefficacité de l'accord litigieux.
4.1 Aux termes de l'<ref-law>, pour apprécier la forme et les clauses d'un contrat, il y a lieu de rechercher la réelle et commune intention des parties, sans s'arrêter aux expressions ou dénominations inexactes dont elles ont pu se servir, soit par erreur, soit pour déguiser la nature véritable de la convention. Dans cette dernière hypothèse, on parle de simulation (cf. le titre marginal de l'<ref-law>).
Un acte est simulé au sens de l'<ref-law> lorsque les deux parties sont d'accord que les effets juridiques correspondant au sens objectif de leur déclaration ne doivent pas se produire et qu'elles n'ont voulu créer que l'apparence d'un acte juridique à l'égard des tiers (<ref-ruling> consid. 5c/cc p. 68; <ref-ruling> consid. 4a p. 343; <ref-ruling> consid. 5 p. 207 et les arrêts cités). Leur volonté véritable tendra soit à ne produire aucun effet juridique, soit à produire un autre effet que celui de l'acte apparent; dans ce dernier cas, les parties entendent en réalité conclure un second acte dissimulé (<ref-ruling> consid. 5c/cc p. 68; <ref-ruling> consid. 4a p. 343).
Juridiquement inefficace d'après la volonté réelle et commune des parties, le contrat simulé est nul (<ref-ruling> consid. 5c/cc p. 68; <ref-ruling> consid. 5 p. 207 et les arrêts cités), tandis que le contrat dissimulé - que, le cas échéant, les parties ont réellement conclu - est valable si les dispositions légales auxquelles il est soumis quant à sa forme et à son contenu ont été observées (<ref-ruling> consid. 2a p. 384 s.; <ref-ruling> consid. 3a p. 390; arrêts 4A_156/2009 du 10 juin 2009 consid. 3.3; 4A_96/2008 du 26 mai 2008 consid. 2.3 publié in SJ 2008 I p. 448).
Il incombe à celui qui se prévaut de la simulation d'en apporter la preuve (<ref-law>), étant précisé qu'on ne saurait admettre trop facilement que les déclarations ou attitudes des parties ne correspondent pas à leur volonté réelle; le juge doit se montrer exigeant en matière de preuve d'une simulation (ATF <ref-ruling> consid. 4a p. 342; arrêts 4A_96/2008 déjà cité consid. 2.3; 4P.59/2002 du 6 juin 2002 consid. 2b). Des allégations de caractère général et de simples présomptions ne suffisent pas. Selon la jurisprudence, le comportement ultérieur des parties est un indice de leur intention réelle au moment de la conclusion du contrat (ATF <ref-ruling> consid. 4a p. 343).
4.2 La cour cantonale considère, à l'instar des premiers juges, que la promesse de contracter du 16 mai 2007 n'est pas un acte simulé. Plus précisément, elle retient que le recourant n'a pas apporté la preuve que la volonté réelle et commune des parties était de feindre un rapport contractuel, destiné uniquement à tromper la banque afin d'obtenir un crédit.
Le recourant ne prétend pas que l'autorité précédente aurait mal appliqué les principes de l'<ref-law> ou méconnu la notion de simulation (questions de droit). Il soutient plutôt que les parties avaient bien l'intention de simuler l'accord litigieux; il revient donc sur la constatation de la volonté interne des parties au moment de la conclusion du contrat, ce qui constitue une question de fait (cf. <ref-ruling> consid. 2e/aa p. 379; <ref-ruling> consid. 5 p. 207; arrêts 5C.127/2001 du 26 octobre 2001 consid. 2a; 4C.227/2003 du 9 décembre 2004 consid. 2.2.1). Il lui incombait de démontrer que l'autorité précédente a apprécié les preuves de manière arbitraire (art. 9 Cst.) en concluant qu'il n'avait pas établi l'intention réelle des parties de conclure un acte simulé (cf. arrêt 4A_96/2008 déjà cité consid. 2.4). Faisant fi des exigences strictes posées par l'<ref-law> (cf. supra consid. 1.3), le recourant ne place toutefois pas sa critique principale sous l'angle de l'arbitraire (art. 9 Cst.); dans une longue argumentation, il se borne à fournir sa propre appréciation des preuves, ce qui n'est pas admissible devant la Cour de céans.
4.3 Invoquant l'arbitraire, le recourant affirme ensuite que l'accord litigieux ne contient pas "les éléments essentiels quant à l'objet du contrat de bail". Il place ainsi son argumentation dans la perspective de la qualification de l'accord litigieux; sa critique est donc impropre à démontrer l'intention réelle des parties de conclure un acte simulé. Les moyens invoqués sous cet angle, pour autant qu'on les comprenne bien, sont quoi qu'il en soient mal fondés (cf. infra consid. 5).
Enfin, le recourant fait référence à deux pièces produites en procédure, apparemment deux messages électroniques, auxquelles la cour cantonale aurait accordé trop de crédit, faisant ainsi preuve d'arbitraire dans l'appréciation des preuves. Dans sa motivation, l'autorité précédente fait référence à un unique courriel, et on ne voit donc pas en quoi, à la lecture de l'arrêt entrepris, celui-ci aurait été influencé par le deuxième message évoqué par le recourant.
S'agissant du courriel daté du 10 mars 2007, auquel il est fait référence dans l'arrêt cantonal, la cour précédente admet elle-même, comme semble d'ailleurs le suggérer le recourant, qu'il n'a que très peu de force probante, le qualifiant seulement d'"indice" d'absence de simulation. Cela étant, on voit mal en quoi la prise en compte de cet indice aurait eu une incidence déterminante sur le sort de la cause (cf. <ref-law>). En effet, l'autorité précédente n'a pas retenu l'absence d'intention des parties de simuler une promesse de bail en se fondant sur cette seule pièce, mais cette dernière est corroborée par de nombreuses preuves. La cour cantonale a notamment établi que, lorsqu'il a signé la promesse de bail, le recourant avait besoin de nouveaux bureaux; en effet, il occupait auparavant des "bureaux-containers" sur ses parcelles, avait besoin de locaux pour ses projets de construction et désirait changer l'emplacement de ses futurs bureaux dans le parc immobilier pour pouvoir bénéficier d'une meilleure vue. En outre, ce n'est qu'après avoir reçu deux factures, deux commandements de payer et des courriers de mainlevée d'opposition qu'il a, enfin, déclaré qu'il estimait ne pas être lié par la promesse. Enfin, l'engagement important pris par l'emprunteur (l'intimée) envers la banque (soit la garantie du financement par le revenu locatif) était tel qu'on peut sérieusement douter qu'il y ait souscrit sans avoir la certitude d'une couverture suffisante, ce qui constitue un indice supplémentaire contre la simulation. Cela étant, même en accordant une force probante très faible (voire même aucune valeur) à l'indice évoqué plus haut, on voit mal que la cour cantonale ait sombré dans l'arbitraire en niant, sur la base des éléments de fait ainsi établis, toute intention de simuler.
Les moyens soulevés par le recourant, pour autant qu'ils soient recevables, doivent être rejetés.
5. Subsidiairement, le recourant soutient que, même s'il fallait considérer que l'accord litigieux n'était pas un acte simulé, il ne pourrait être valablement qualifié de promesse de contracter, mais uniquement d'"engagement de mener des négociations en temps et en heure". Il reproche à la cour précédente d'avoir apprécié les preuves arbitrairement et, par ricochet, d'avoir mal appliqué l'<ref-law>.
Rappelant qu'une promesse de bail est valide quand elle est déterminée ou déterminable (cf. <ref-ruling> consid. 3b p. 33), l'autorité cantonale a jugé que tel était manifestement le cas de la "Promesse de bail à loyer pour locaux commerciaux" signée par les parties le 16 mai 2007.
Le recourant soutient que l'objet du contrat n'était pas défini; il insiste sur le fait que les annexes au contrat ne figurent pas au dossier, notamment celle relative à la construction (annexe 1) et celle portant sur la surface et l'emplacement des locataires (annexe 3). La cour cantonale a toutefois indiqué que, malgré l'absence des annexes au dossier, le recourant ne pouvait prétendre que les parties ne s'étaient pas entendues sur ce point dès lors qu'il a lui-même paraphé le bordereau des annexes, attestant ainsi les avoir reçues. On ne saurait ainsi reprocher à la cour cantonale d'avoir sombré dans l'arbitraire en retenant, malgré l'absence des pièces au dossier, que l'objet du bail avait été clairement déterminé entre les parties.
Le recourant insiste également sur le fait que la promesse de bail ne contenait aucun descriptif de l'objet à louer. Il résulte toutefois clairement de l'arrêt entrepris (p. 14) que l'accord était "extrêmement détaillé"; il contenait "la désignation des parties, la surface, la situation et la destination des locaux, des dispositions sur la durée du bail, les conditions auxquelles il peut être reconduit ou résilié, les formalités nécessaires à la délivrance des locaux, les loyers et les charges accessoires qui ne sont pas comprises dans les loyers, les garanties bancaires, le permis d'exploiter, l'usage et l'entretien de l'objet du bail, les assurances, la surveillance des locaux, les enseignes et la publicité lumineuse". Il résulte au demeurant de l'art. 1 al. 2 de la promesse, reproduite dans l'arrêt attaqué, que "les parties ont convenu de signer une promesse de bail qui contient d'ores et déjà tous les éléments essentiels du contrat", la cour cantonale se demandant d'ailleurs si la demanderesse n'aurait pas pu agir directement en exécution du contrat de bail. Par son affirmation, le recourant tente en réalité de substituer son propre état de fait à celui établi par l'autorité cantonale, ce qui n'est pas admissible (cf. supra consid. 1.3).
S'agissant du témoin Patrick Meyer, qui a confirmé que les locaux étaient prêts à être occupés dès le 13 janvier 2009, le recourant laisse entendre qu'il doute de la crédibilité de son témoignage, qu'il estime par ailleurs incomplet. Il ne fait toutefois valoir aucun grief à ce sujet et fonde son argumentation sur les "pièces au dossier", sans renvoyer à des pièces déterminées. Une telle argumentation n'est pas recevable (cf. infra consid. 1.3).
On ne saurait donc reprocher à la cour cantonale d'avoir sombré dans l'arbitraire en appréciant les preuves. Le moyen, pour autant que recevable, est infondé. Sur la base des constatations cantonales, exemptes de tout arbitraire, le recourant ne prétend pas que l'autorité précédente, en passant à la subsomption, aurait violé l'<ref-law>. Il n'y a donc pas lieu d'y revenir (cf. supra consid. 1.2).
6. Il résulte des considérations qui précèdent que le recours doit être rejeté dans la mesure de sa recevabilité.
Les frais judiciaires et les dépens sont mis solidairement à la charge du recourant 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 dans la mesure où il est recevable.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 20'000 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le recourant versera à l'intimée une indemnité de 22'000 fr. à titre de dépens.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Chambre des recours du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 28 septembre 2012
Au nom de la Ire Cour de droit civil
du Tribunal fédéral suisse
La Présidente: Klett
Le Greffier: Piaget