Faits: A. Le docteur L._ exploite depuis 1993 un cabinet de médecine générale et radiologie à X._. Par lettre du 12 novembre 1998, la Commission mixte de l'Association des médecins du canton de Genève (AMG) et de la Fédération genevoise des assureurs-maladie (FGAM; aujourd'hui: Santésuisse) a informé le praticien - après l'avoir entendu - que ses factures d'honoraires dépassaient très sensiblement les valeurs moyennes de celles de ses confrères de même spécialité et lui a réclamé le remboursement de montants facturés en 1996 et 1997, jugés excessifs. B. B.a Après un échange de correspondances entre la Commission mixte et le médecin qui n'a abouti à aucun accord, vingt-trois caisses-maladie, toutes regroupées au sein de la FGAM, ont saisi le Tribunal arbitral des assurances de la République et canton de Genève (ci-après: tribunal arbitral) et conclu au paiement, par le docteur L._, de 488'701 fr. avec intérêts à 5 % dès le 17 avril 2000 (pour 1998) et de 347'805 fr. avec intérêts dès le 5 septembre 2000 (pour 1999). Leur demande était fondée sur la différence entre les honoraires moyens tels qu'ils ressortaient des statistiques annuelles 1998 et 1999 du Concordat des assureurs-maladie suisses (CAMS) et la moyenne des honoraires facturés par le médecin au cours de ces deux années. Par jugement du 16 septembre 2004, le tribunal arbitral a partiellement admis la demande et condamné le docteur L._ à rembourser aux caisses demanderesses, pour 1998, la somme de 443'872 fr. avec intérêts à 5 % dès le 10 décembre 1999 et, pour 1999, la somme de 303'841 fr. 20 avec intérêts à 5 % dès le 5 septembre 2000. Saisi d'un recours de l'intéressé contre ce jugement, le Tribunal fédéral des assurances l'a admis: par arrêt du 2 décembre 2005 (K 148/04), il a annulé le prononcé du tribunal arbitral, en lui renvoyant la cause pour instruction complémentaire et nouvelle décision au sens des considérants. B.b A la suite de cet arrêt, le tribunal arbitral a tenu une audience de comparution personnelle des parties, puis entendu le docteur W._, médecin spécialisé en diabétologie et médecine interne, en qualité de témoin. Statuant le 21 novembre 2006, il a partiellement admis la demande des caisses-maladie et condamné le docteur L._ à leur payer les montants de 488'701 fr. pour l'année 1998 et 347'805 fr. pour l'année 1999, à charge de Santésuisse de répartir les montants entre elles. C. L._ a interjeté un recours de droit administratif contre ce jugement dont il a demandé l'annulation. Sous suite de dépens, il a conclu au renvoi de la cause au tribunal arbitral pour complément d'instruction et nouveau jugement. Les caisses-maladie intimées ont conclu au rejet du recours, avec suite de dépens. Quant à l'Office fédéral de la santé publique, il a renoncé à se déterminer. 