Sachverhalt:
A. Der ursprünglich zwischen der Y._ & Cie. als Vermieterin und der Z._ AG als Mieterin abgeschlossene Hauptmietvertrag vom 29. August 2003 über das Ladenlokal von ca. 62 m2 mit Büroteil und WC-Anlage im Erdgeschoss der Liegenschaft B._-strasse in Zürich wurde mit Vertragsüberschreibung vom 6. Mai 2004 rückwirkend ab 1. April 2004 auf die X._ GmbH (Beschwerdegegnerin) als neue Mieterin übertragen.
Zu jenem Zeitpunkt bestand ein Untermietverhältnis zwischen der damaligen Hauptmieterin (Z._ AG) und A._ (Beschwerdeführer). Dieses wurde in der Folge stillschweigend auch zwischen der Beschwerdegegnerin und dem Beschwerdeführer zu den gleichen Mietzinsbedingungen vereinbart.
Am 18. März 2008 setzte die Beschwerdegegnerin dem Beschwerdeführer im Sinne von <ref-law> eine 30-tägige Zahlungsfrist zur Begleichung des Mietzinsrückstandes unter Androhung der Kündigung im Säumnisfall. Mit amtlichem Formular vom 25. April 2008 kündigte die Beschwerdegegnerin das Untermietverhältnis wegen der ausgebliebenen Mietzinszahlungen auf den 31. Mai 2008.
B. Mit Eingabe vom 12. Juni 2008 stellte die Beschwerdegegnerin bei der Einzelrichterin des Bezirks Zürich ein Ausweisungsbegehren. Der Beschwerdeführer hatte bereits am 28. Mai 2008 die Kündigung bei der Schlichtungsbehörde Zürich angefochten. Diese überwies das Verfahren in Anwendung von <ref-law> an die Ausweisungsrichterin, welche die beiden Verfahren vereinigte. Mit Verfügung vom 10. Juli 2008 wies die Einzelrichterin das Kündigungsschutzbegehren ab und erteilte den beantragten Ausweisungsbefehl.
Gegen diese Verfügung erhob der Beschwerdeführer Rekurs an das Obergericht des Kantons Zürich und beantragte, das Ausweisungsbegehren abzuweisen und festzustellen, dass die Kündigung vom 25. April 2008 unwirksam sei. Am 1. Oktober 2008 wies das Obergericht den Rekurs ab und befahl dem Beschwerdeführer in Bestätigung der Verfügung vom 10. Juli 2008, das Ladenlokal unverzüglich zu räumen und der Beschwerdegegnerin ordnungsgemäss zu übergeben, unter Androhung von Zwangsvollstreckung im Unterlassungsfall. Es wies das Stadtammannamt 4 an, diesen Befehl nach Eintritt der Rechtskraft auf Verlangen der Beschwerdegegnerin zu vollstrecken (Dispositiv-Ziffer 1). Die Gerichtsgebühr setzte das Obergericht auf Fr. 7'000.-- fest und auferlegte die Kosten dem Beschwerdeführer (Dispositiv-Ziffern 2 und 3). Ausserdem verpflichtete es ihn, der Beschwerdegegnerin für das Rekursverfahren eine Prozessentschädigung von Fr. 3'500.-- (zuzüglich 7.6% Mehrwertsteuer) zu bezahlen (Dispositiv-Ziffer 4).
C. Der Beschwerdeführer erhob gegen die Dispositiv-Ziffern 2 und 4 des obergerichtlichen Beschlusses kantonale Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht des Kantons Zürich. Er machte geltend, das Obergericht habe den Streitwert mit Fr. 630'000.-- falsch bestimmt. Es habe übersehen, dass der Hauptmietvertrag bis zum 31. März 2009 befristet sei und an diesem Datum ohne Kündigung ende. Da das streitige Untermietverhältnis vom Bestand des Hauptmietverhältnisses abhängig sei und spätestens am 31. März 2009 ende, könne für den Streitwert nur die bis zum 31. März 2009 geschuldete Mietzinssumme massgebend sein und nicht diejenige für die dreijährige Kündigungssperre. Der Streitwert betrage demnach höchstens Fr. 150'000.--, nämlich Fr. 15'000.-- pro Monat für die zehn Monate vom 1. Juni 2008 bis 31. März 2009.
Das Kassationsgericht folgte dieser Argumentation und hob mit Sitzungsbeschluss vom 11. Mai 2009 in teilweiser Gutheissung der Nichtigkeitsbeschwerde Dispositiv-Ziffer 4 des Beschlusses des Obergerichts vom 1. Oktober 2008 auf und ersetzte sie durch folgende Fassung:
"4. Der Beklagte wird verpflichtet, der Klägerin für das Rekursverfahren eine Prozessentschädigung von Fr. 2'000.-- (zuzüglich 7.6 % Mehrwertsteuer) zu bezahlen."
Im Übrigen (betreffend Dispositiv-Ziffer 2 des Beschlusses des Obergerichts vom 1. Oktober 2008) trat das Kassationsgericht auf die Nichtigkeitsbeschwerde nicht ein. Es begründete den Nichteintretensentscheid damit, dass bezüglich der Höhe der Gerichtsgebühr Kostenbeschwerde nach § 206 des Gerichtsverfassungsgesetzes des Kantons Zürich vom 13. Juni 1976 (GVG; LS 211.1) an die Aufsichtsbehörde und nicht Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht zu führen sei.
Gegen den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts wurde kein Rechtsmittel ergriffen.
D. Der Beschwerdeführer beantragt dem Bundesgericht mit Beschwerde in Zivilsachen vom 5. November 2008, den Beschluss des Obergerichts vom 1. Oktober 2008 vollumfänglich aufzuheben. Es sei festzustellen, dass die angefochtene Kündigung vom 25. April 2008 per 31. Mai 2008 unwirksam sei. Das Ausweisungsbegehren der Beschwerdegegnerin sei abzuweisen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
Die Beschwerdegegnerin beantragt die Abweisung der Beschwerde. Die Vorinstanz verzichtete auf eine Vernehmlassung.
E. Mit Präsidialverfügung vom 28. November 2008 wurde das Gesuch, der Beschwerde die aufschiebende Wirkung zu erteilen, abgewiesen.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer macht im Zusammenhang mit der Bestimmung des Streitwertes geltend, das Untermietverhältnis ende zusammen mit dem Hauptmietverhältnis spätestens Ende März 2009. Demnach wäre anzunehmen, dass er das Mietobjekt bereits verlassen hat, weshalb fraglich erscheint, ob er zum heutigen Zeitpunkt noch ein aktuelles Rechtsschutzinteresse an der Beurteilung seiner Beschwerde gegen die Ablehnung der Kündigungsanfechtung und gegen die Ausweisungsanordnung hat. Die Frage kann offen gelassen werden, da sich die Beschwerde ohnehin als unbegründet erweist.
2. Der Beschwerdeführer machte gegen die Gültigkeit der Kündigung geltend, dass gar kein Mietzinsausstand bestanden habe, weil er jahrelang einen im Verhältnis zum Hauptmietzins viel zu hohen Untermietzins bezahlt habe. Vor der Vorinstanz berief er sich einerseits auf (Teil-)Nichtigkeit des Untermietvertrags wegen Sittenwidrigkeit (<ref-law>), andererseits auf Grundlagenirrtum (<ref-law>). Beides begründete er damit, dass der Untermietzins ein Mehrfaches des Hauptmietzinses betrage, wovon er erst kürzlich, infolge der Einsichtnahme in die Akten des hängigen Verfahrens, Kenntnis erhalten habe. Bezüglich des Grundlagenirrtums machte er sodann geltend, er sei davon ausgegangen, dass der Abschluss des Untermietvertrags rechtmässig, d.h. mit Zustimmung des Hauptvermieters abgeschlossen worden sei. Die Vorinstanz verwarf beide Vorbringen, was der Beschwerdeführer als Verletzung von <ref-law> und von <ref-law> anficht.
2.1 Dabei geht seine Berufung auf Sittenwidrigkeit nach <ref-law>, die er mit einem krassen Missverhältnis zwischen den ausgetauschten Leistungen begründet, von vornherein fehl. Die Wertdisparität von Leistung und Gegenleistung bedeutet für sich allein keine Sittenwidrigkeit. Der Problemkreis der Wertdisparität der Vertragsleistungen wird vielmehr abschliessend vom Übervorteilungstatbestand des <ref-law> erfasst (<ref-ruling> E. 4c S. 236). Eine Übervorteilung macht der Beschwerdeführer nicht geltend.
2.2 Auch eine Verletzung von <ref-law> liegt nicht vor. Die Vorinstanz verneinte, dass das Verhältnis von Haupt- und Untermietzins eine Grundlage des Untermietvertrags darstelle, welche nach Treu und Glauben eine Ungültigkeit des Vertrags rechtfertigen könnte. Dem ist zuzustimmen. Nach <ref-law> kann der Vermieter die Zustimmung zur Untermiete verweigern, wenn die Bedingungen des Untermietverhältnisses im Vergleich zu jenen des Hauptmietvertrags missbräuchlich sind. Nach Lehre und Rechtsprechung bezweckt <ref-law> in erster Linie den Schutz der Interessen des Vermieters und nicht des Untermieters. Der Vermieter soll sich nicht geprellt fühlen müssen, weil der Mieter ohne Erbringung eigener Leistung deutlich mehr Geld aus der Mietsache erzielt als er selbst (Urteil 4C.331/2004 vom 17. März 2005 E. 1.2.1; <ref-ruling> E. 6). Von daher ist in der Tat fraglich, ob der Untermieter geltend machen kann, er habe das angemessene Verhältnis von Haupt- und Untermietzins nach Treu und Glauben als notwendige Grundlage des Vertrags betrachten dürfen. Wie dem auch sei, würde dies vorliegend dem Beschwerdeführer nicht weiterhelfen.
Denn wie die Vorinstanz zutreffend festhielt, ist bei einem Willensmangel, der bloss einen Teil des Vertrags betrifft, in analoger Anwendung von <ref-law> nur dieser Teil unverbindlich, wenn nicht anzunehmen ist, dass der Vertrag ohne ihn nicht geschlossen worden wäre (<ref-ruling> E. 3 S. 356; Schwenzer, in: Basler Kommentar, Obligationenrecht I, 4. Aufl. 2007, N. 11 zu <ref-law>; Gauch/Schluep/Schmid, Schweizerisches Obligationenrecht, Allgemeiner Teil, 9. Aufl. 2008, Rz. 852). Vorliegend konnte die Vorinstanz jedoch bei objektiver Einschätzung keine Anhaltspunkte dafür ausmachen, dass die Beschwerdegegnerin das Untermietverhältnis mit dem Beschwerdeführer auch zu einem tieferen Mietzins eingegangen wäre. Dem Beschwerdeführer gelingt es nicht, diese Beurteilung als bundesrechtswidrig auszuweisen, indem er einfach das Gegenteil behauptet. Die Vorinstanz schloss daher zu Recht, dass bei Berufung auf Grundlagenirrtum der ganze Untermietvertrag unverbindlich wäre, so dass der Beschwerdeführer keine Grundlage für ein weiteres Verbleiben im Mietobjekt hätte. Dies wäre auch die Folge, wenn das Nichtwissen um die fehlende Zustimmung des Hauptvermieters zur Untervermietung als wesentlicher Irrtum anzuerkennen wäre, so dass Letzteres mit der Vorinstanz offen bleiben kann.
3. Das Kassationsgericht trat auf die Nichtigkeitsbeschwerde nicht ein, soweit sie sich gegen Dispositiv-Ziffer 2 (Gerichtsgebühr) des obergerichtlichen Beschlusses vom 1. Oktober 2008 richtete. Mit der vorliegenden Beschwerde in Zivilsachen macht der Beschwerdeführer eine Verletzung "bundesrechtlicher Vorschriften zur Streitwertberechnung" geltend. Er übersieht, dass sich die Gerichtsgebühr im kantonalen Verfahren nach kantonalen Vorschriften bestimmt. Mangels zulässiger Rüge kann insoweit auf die Beschwerde nicht eingetreten werden.
4. Dispositiv-Ziffer 4 des angefochtenen Beschlusses (Prozessentschädigung) wurde vom Kassationsgericht in teilweiser Gutheissung der Nichtigkeitsbeschwerde des Beschwerdeführers aufgehoben und durch eine neue Formulierung ersetzt. Damit fiel diesbezüglich im Verlauf des vorliegenden Verfahrens das Anfechtungsobjekt dahin. Den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts hat der Beschwerdeführer nicht angefochten. Das Verfahren ist daher in Bezug auf Dispositiv-Ziffer 4 des angefochtenen Beschlusses des Obergerichts als gegenstandslos geworden abzuschreiben.
5. Der Beschwerdeführer wird dem Ausgang des Verfahrens entsprechend kosten- und entschädigungspflichtig (Art. 66 Abs. 1 und Art. 68 Abs. 2 BGG).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Das Verfahren wird in Bezug auf Dispositiv-Ziffer 4 des Beschlusses des Obergerichts des Kantons Zürich vom 1. Oktober 2008 als gegenstandslos geworden abgeschrieben.
2. Im Übrigen wird die Beschwerde abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 7'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Der Beschwerdeführer hat die Beschwerdegegnerin für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 8'000.-- zu entschädigen.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 6. Juli 2009
Im Namen der I. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Die Gerichtsschreiberin:
Klett Sommer