Faits: A. La Ville de Y._, qui est une commune du canton, est propriétaire d'une parcelle située entre le chemin ..., la route ... et l'avenue ..., à Y._, où sont installés les A._. Par contrat du 16 mai 1986, la Ville de Y._ a remis à bail à V._ l'emplacement situé dans une partie des A._ dénommé "..." aux fins d'exploiter un glacier. En 1987, V._ ont remis en gérance cet établissement à X._. Par contrat du 1er mars 1989, V._ ont vendu à X._ le fonds de commerce de cet établissement, soit un débit de boissons, de glace, et de restauration, pour le prix de 400'000 fr. Selon contrat du 28 juillet 1994, la Ville de Y._ a remis à bail directement à X._ la "..." en vue de l'exploitation d'une buvette, pour un loyer annuel de 8'004 fr., adapté selon l'évolution de l'indice officiel suisse des prix à la consommation. Le contrat indiquait que X._ était déjà dans les lieux. Le bail était conclu pour une durée initiale de cinq ans, se terminant le 31 juillet 1999, reconductible ensuite d'année en année, sauf résiliation donnée six mois avant l'échéance. L'art. 10 prescrivait que le locataire devait obtenir le consentement écrit du bailleur pour tous travaux visant à adapter la chose louée à l'activité professionnelle prévue par le bail; si, à la fin du bail, la chose louée présentait une plus-value considérable résultant des travaux acceptés par le bailleur, le locataire pouvait exiger une indemnité n'excédant pas le coût des travaux à teneur des factures acquittées, diminuée de 10 % par an à dater de leur exécution. Par courrier du 3 décembre 2001, la Ville de Y._ a informé X._ que son bail prendrait fin avec le réaménagement de A._, dès lors qu'il impliquait la démolition de la buvette. Par un autre courrier du 11 février 2002, la Ville de Y._ a informé X._ que son bail serait résilié à moyen terme et qu'il n'avait plus dès lors qu'un caractère temporaire. Le 26 septembre 2007, le Conseil administratif de la Ville de Y._ a proposé au Conseil municipal l'ouverture d'un crédit global de 2'350'000 fr., portant notamment sur une préétude et une étude en vue du réaménagement de A._. Il s'agissait d'agrandir les herbiers, afin d'augmenter les surfaces de stockage et de consultation, et de construire un café-restaurant, un espace d'accueil et d'exposition permanente, ainsi qu'une boutique. L'installation du café-restaurant entraînait la suppression du glacier actuel qui était inadapté et situé en zone non constructible. Un concours d'architecture a été organisé et une esquisse provisoire du pavillon d'accueil a été réalisée. Lors de ses séances des 23 et 24 juin 2008, le Conseil municipal a voté le crédit. Le 3 décembre 2008, le Conseil administratif de la Ville de Y._ a proposé au Conseil municipal l'ouverture d'un crédit brut de 13'390'100 fr. destiné au financement du réaménagement de A._. Le réaménagement prévu comportait notamment la construction d'un pavillon d'accueil, d'un pavillon de service, ainsi que d'une buvette de restaurant avec une salle à manger et une terrasse. La nouvelle cafétéria ne devait plus être en zone verdure. Ce crédit a été voté par le Conseil municipal lors de sa séance du 13 mai 2009. Par courrier et formule officiel du 23 mai 2008, la Ville de Y._ a résilié le contrat de bail de X._ pour le 31 juillet 2009. La Ville de Y._ a déposé le 19 novembre 2008 une demande d'autorisation de démolir la buvette et de construire portant sur le réaménagement de A._. Les autorisations ont été délivrées le 22 mai 2009 et publiées dans la Feuille d'Avis Officielle du 26 mai 2009. Le recours formé par X._ contre ces autorisations a été déclaré irrecevable par décision du 24 septembre 2009 de la Commission de recours cantonale, décision qui n'a pas été attaquée par X._ devant le Tribunal administratif. X._, âgé d'environ septante ans, exploite "..." avec son épouse, son fils, sa fille et son gendre, qui sont ses salariés. Il a déclaré qu'il ne voulait pas gérer un autre établissement, mais souhaitait que ses enfants poursuivent dans cette voie. Il a indiqué qu'il avait achevé de payer le prix du fonds de commerce en 2001. Il a allégué qu'il avait fait régulièrement des investissements, mais sans en apporter la preuve. Selon les comptes qu'il a produits, les salaires bruts se sont élevés, en 2006, à 145'809 fr. 80 et le bénéficie net à 66'318 fr. 30; selon les comptes 2007, les salaires bruts étaient de 143'510 fr. 55 et le bénéfice net de 100'464 fr. 95. B. X._ a contesté la validité du congé et a sollicité subsidiairement une prolongation du bail. La Ville de Y._ s'est entièrement opposée à la demande. Par décision du 29 novembre 2008, la Commission de conciliation en matière de baux et loyers a déclaré le congé valable et a accordé à X._ une première prolongation du bail jusqu'au 31 juillet 2013. Par jugement du 27 avril 2009, le Tribunal des baux et loyers a déclaré le congé valable et a octroyé à X._ une première prolongation du bail échéant le 31 octobre 2010. Saisie d'un appel des deux parties, la Chambre d'appel en matière de baux et loyers, par arrêt du 15 novembre 2010, a déclaré le congé valable et a rejeté la demande en prolongation du bail. C. X._ exerce un recours en matière civile au Tribunal fédéral contre l'arrêt cantonal du 15 novembre 2010. Invoquant une violation des art. 272 et 274d al. 3 CO, il conclut - tout en admettant expressément la validité du congé - à une prolongation du bail venant à échéance le 31 octobre 2013, avec suite de dépens. L'intimée a conclu à l'irrecevabilité, subsidiairement au rejet du recours, avec suite de frais et dépens. 