Fatti: A. Il 28 febbraio 2011 il Consiglio comunale di Bellinzona ha adottato una variante di piano regolatore concernente il piano delle attrezzature ed edifici di interesse pubblico denominata "Comparto dell'ex campo militare". Secondo la variante, nel comprensorio, che si estende su una superficie di circa 71'000 m2, è previsto un parco pubblico urbano di 24'000 m2, un'area sportiva di 25'500 m2, un prato di 8'500 m2 e un'area di 13'200 m2 per un "Polo scientifico" destinato alla ricerca scientifica e alla formazione. Sottoposta a votazione popolare a seguito di un referendum, la risoluzione comunale è stata accettata da una larga maggioranza dei cittadini di Bellinzona il 19 giugno 2011. B. Contro la variante pianificatoria A._, cittadino di Bellinzona, è insorto al Consiglio di Stato, che con decisione del 18 gennaio 2012 l'ha di principio approvata, respingendo nel contempo il ricorso. C. Con sentenza del 2 novembre 2012, il Tribunale cantonale amministrativo ha respinto un ricorso di A._ contro la decisione governativa. D. A._ impugna questa sentenza con un ricorso in materia di diritto pubblico e un ricorso sussidiario in materia costituzionale al Tribunale federale, chiedendo in via principale di annullare la decisione governativa e di respingere la variante. In via subordinata, postula la reiezione della variante limitatamente all'area destinata al "Polo scientifico" e, in via ancora più subordinata, chiede di rinviare gli atti al Consiglio di Stato o alla Corte cantonale per un nuovo giudizio. Il ricorrente fa valere la violazione degli art. 9 e 29 cpv. 2 Cost., degli art. 31 e 47 OPT e dell'art. 10a LPAmb. Lamenta inoltre la mancata conformità della variante al piano direttore cantonale. E. La Corte cantonale si riconferma nella sua sentenza. La Divisione dello sviluppo territoriale e della mobilità chiede di respingere il gravame. Il Municipio di Bellinzona chiede, in via principale, di non entrare nel merito dello stesso e, in via subordinata, di respingerlo nella misura della sua ammissibilità. Con decreto presidenziale del 16 gennaio 2013 è stato conferito effetto sospensivo al gravame. 