Faits:
A. A.a Le 8 octobre 2003, D._, né en 1973, maçon, a été victime d'une chute sur un chantier. Il se trouvait sur un échafaudage en train d'élever un mur, quand il a senti celui-ci bouger. Ayant pris peur, il a sauté. Il s'est réceptionné sur les deux pieds puis est tombé sur la fesse droite. Le lendemain, se plaignant de douleurs à la hanche, au genou et à la cheville gauches, il s'est rendu à l'hôpital Y._ où l'on a posé le diagnostic de contusions. La Caisse nationale suisse en cas d'accidents (CNA) - auprès de laquelle le prénommé était assuré - a pris en charge cet événement. Le traitement médical s'est terminé le 29 octobre 2003 et l'assuré a repris son travail le 3 novembre suivant.
A.b Le 31 août 2004, l'employeur de D._, X._ Sàrl, a annoncé une rechute de l'accident du 8 octobre 2003. Un examen par IRM du genou gauche s'est révélé normal, hormis la présence d'une discrète chondropathie rotulienne. L'assuré a été incapable de travailler à 100% du 23 août au 12 septembre 2004, à 50% du 13 septembre 2004 au 27 février 2005, puis à nouveau à 100% du 28 février 2005 jusqu'au mois de juillet 2005. La CNA a versé ses prestations.
A.c Le 8 mars 2006, X._ Sàrl a signalé une deuxième rechute (aggravation des douleurs au genou gauche). Un nouvel examen IRM est effectué, dont le résultat a montré, en sus de la chondropathie, une réaction oedémateuse du tissu sous-cutané et une image compatible avec une insertionite discrète du tendon rotulien. Le docteur L._ a pratiqué une arthroscopie mais n'a retenu aucun diagnostic particulier. Après avoir requis l'avis de son médecin d'arrondissement, la CNA a confié au docteur M._, chirurgien orthopédiste, le soin de réaliser une expertise médicale (rapport du 9 juillet 2007). L'expert a posé le diagnostic de syndrome douloureux chronique antérieur du genou gauche avec chondropathie rotulienne interne modérée et discrète insertionite proximale du tendon rotulien. A ses yeux, le statu quo ante avait été retrouvé dès la première reprise du travail de l'assuré. Comme il était néanmoins possible que l'accident ait décompensé un état latent, un retour au statu quo sine pouvait être admis au plus tard le 31 décembre 2006.
Sur la base de ce rapport, la CNA a mis un terme à ses prestations au 31 décembre 2006, considérant que D._ ne présentait plus, dès cette date, de séquelles de l'accident assuré (décision du 22 novembre 2007). Saisie d'une opposition, elle l'a écartée dans une nouvelle décision du 5 mars 2008.
B. Par jugement du 30 mai 2008, le Tribunal administratif du canton de Neuchâtel a rejeté le recours formé par l'assuré contre la décision sur opposition de la CNA (du 5 mars 2008).
C. D._ interjette un recours en matière de droit public dans lequel il conclut, sous suite de frais et dépens, à l'annulation du jugement cantonal et à l'octroi, par la CNA, des prestations de l'assurance-accidents; subsidiairement, à la mise en oeuvre d'une expertise pluridisciplinaire à l'Hôpital Z._.
La CNA conclut au rejet du recours. L'Office fédéral de la santé publique a renoncé à présenter une détermination.

Considérant en droit:
1. Le litige porte sur le droit du recourant aux prestations de l'assurance-accidents, notamment des indemnités journalières voire une rente, au-delà du 31 décembre 2006 au titre de rechute de l'accident du 8 octobre 2003. Le Tribunal fédéral n'est donc pas lié par les faits établis par l'autorité précédente (art. 97 al. 2 et 105 al. 3 LTF).
2. 2.1 La responsabilité de l'assureur-accidents s'étend, en principe, à toutes les conséquences dommageables qui se trouvent dans un rapport de causalité naturelle et adéquate avec l'événement assuré. Les prestations d'assurance sont donc également allouées en cas de rechutes et de séquelles tardives (<ref-law>). A cet égard, la jurisprudence considère que plus le temps écoulé entre l'accident et la manifestation de l'affection est long, et plus les exigences quant à la preuve, au degré de la vraisemblance prépondérante, du rapport de causalité naturelle doivent être sévères (RAMA 1997 no U 275 p. 191 consid.1c, arrêt U 93/96 du 5 février 1997).
2.2 La condition du lien de causalité naturelle est remplie lorsqu'il y a lieu d'admettre que, sans cet événement accidentel, le dommage ne se serait pas produit du tout, ou qu'il ne serait pas survenu de la même manière. Savoir si l'événement assuré et l'atteinte en question sont liés par un rapport de causalité naturelle est une question de fait que l'administration ou, le cas échéant, le juge, examine en se fondant essentiellement sur des renseignements d'ordre médical, et qui doit être tranchée en se conformant à la règle du degré de vraisemblance prépondérante, appliquée généralement à l'appréciation des preuves dans l'assurance sociale (<ref-ruling> consid. 3.1 p. 181, 402 consid. 4.3.1 p. 406).
2.3 Si l'on peut admettre qu'un accident n'a fait que déclencher un processus qui serait de toute façon survenu sans cet événement, le lien de causalité naturelle entre les symptômes présentés par l'assuré et l'accident doit être nié lorsque l'état maladif antérieur est revenu au stade où il se trouvait avant l'accident (statu quo ante) ou s'il est parvenu au stade d'évolution qu'il aurait atteint sans l'accident (statu quo sine) (RAMA 1992 no U 142 p. 75, consid. 4b, arrêt U 61/91 du 18 décembre 1991).
3. Le recourant reproche aux premiers juges de s'être fondés sur le rapport du docteur M._ dont il estime les considérations contradictoires en elles-mêmes et avec le dossier. En particulier, l'explication de l'expert d'une pathologie latente liée à son activité professionnelle ne convainquait pas vu son âge au moment de l'expertise (34 ans) et l'absence de tout antécédent douloureux au niveau de ses genoux avant la survenance de l'événement accidentel. Il était par ailleurs difficilement concevable que le docteur M._ pût, d'un côté, fixer le retour au statu quo sine au 31 décembre 2006 et, de l'autre, attester d'une incapacité de travail. Enfin, le refus des prestations par la CNA était d'autant moins justifiable que celle-ci avait toujours reconnu les gonalgies comme étant des rechutes de l'accident jusqu'au mois de décembre 2006 et que durant toute cette période, il n'y avait eu aucun changement dans la situation.
4. 4.1 On doit admettre avec le recourant que le rapport d'expertise du docteur M._ contient certains développements qui manquent de clarté. De l'ensemble des considérations médicales de l'expert, il se laisse néanmoins déduire les points essentiels suivants. Premièrement : que la seule atteinte objectivable (visible sur les deux IRM) que D._ présente à son genou gauche est une lésion de chondropathie des facettes internes de la rotule. Deuxièmement : qu'une telle atteinte - dont un examen IRM pourrait aussi bien montrer qu'elle affecte le genou droit - n'entraîne pas forcément des symptômes et n'explique pas les douleurs de l'intéressé (le docteur M._ reconnaît certes une incapacité de travail de 50% mais uniquement en raison de ces plaintes douloureuses car il déclare, à vrai dire, ne constater aucune limitation fonctionnelle objective). Troisièmement : que dans la mesure où aucune lésion somatique n'a pu être constatée immédiatement après l'accident et que D._ a été capable de reprendre son activité de maçon sans restriction particulière durant 9 mois, le traumatisme initial a tout au plus pu provoquer une décompensation passagère du compartiment fémoro-patellaire. Quatrièmement : que cette hypothèse d'une pathologie latente mais non déclarée, liée avant tout à l'activité professionnelle de l'assuré, permet de fixer le statu quo sine au plus tard au 31 décembre 2006.
4.2 Ces explications sont convaincantes et on peut s'y rallier. D'une part, l'absence d'une anomalie significative au genou gauche avait déjà été mise en évidence par le résultat de l'arthroscopie diagnostique réalisée par le docteur L._ (cf. son rapport du 30 mai 2006) et n'est remise en cause par aucun avis médical au dossier. En particulier, il ne se trouve rien, dans les rapports respectifs des docteurs H._, médecin traitant, O._, médecin d'arrondissement de la CNA, et U._, spécialiste en orthopédie, qui permettrait de retenir que ces médecins attribuent d'une manière ou d'une autre une cause accidentelle à la chondropathie constatée chez l'assuré; il s'en dégage par ailleurs un point de vue similaire à celui de l'expert quant aux faibles répercussions que cette atteinte est de nature à entraîner. D'autre part, quoique le recourant affirme ressentir depuis l'accident des douleurs au genou gauche exacerbées par périodes, il ressort bien plus du dossier que l'intervalle entre la reprise du travail (le 3 novembre 2003) et l'annonce de la première rechute (en août 2004) a été asymptomatique (voir notamment le compte-rendu du docteur L._ du 24 février 2005); il n'existe au demeurant aucun document attestant d'une consultation ou d'un examen pour des douleurs au genou gauche entre ces dates. Finalement, le seul élément sur lequel le recourant peut s'appuyer en faveur d'un rapport de causalité entre son état douloureux et l'accident est celui fondé sur l'adage post hoc ergo propter hoc qui n'est à lui seul pas suffisant, selon la jurisprudence (<ref-ruling> consid. 2b/bb p. 341 s.), pour établir un tel lien de cause à effet. Quant au fait que la CNA a pris en charge les rechutes jusqu'au 31 décembre 2006, il ne préjuge en rien du droit du recourant à obtenir des prestations au-delà de cette date.
Vu ce qui précède, l'existence d'un lien de causalité naturelle entre l'état de santé du recourant et l'accident assuré doit être nié au-delà du 31 décembre 2006. L'intimée était ainsi fondée à mettre fin à ses prestations après cette date et le jugement entrepris n'est pas critiquable.
5. Le recourant, qui succombe, doit supporter les frais judiciaires (<ref-law>) et n'a pas droit à des dépens (<ref-law>).

Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 750 fr., sont mis à la charge du recourant.
3. Le présent arrêt est communiqué aux parties, au Tribunal administratif du canton de Neuchâtel et à l'Office fédéral de la santé publique.
Lucerne, le 2 février 2009
Au nom de la Ire Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Ursprung von Zwehl