Faits: A. A.a A la suite d'une chute survenue le 12 juillet 2004 alors qu'il travaillait comme maçon, V._, a subi une fracture du trochiter de l'humérus proximal gauche, une fracture comminutive intra-articulaire du radius distal gauche, ainsi qu'une fracture diaphysaire transverse du cubitus distal gauche. Le cas a été pris en charge par son assureur-accidents, la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (CNA), qui a notamment soumis l'assuré à un examen auprès de son médecin d'arrondissement, le docteur R._, spécialiste FMH en chirurgie orthopédique. Dans son rapport du 10 janvier 2006, celui-ci a conclu que l'intéressé ne pouvait plus reprendre son travail de maçon, mais disposait, en tenant compte uniquement des séquelles somatiques, d'une capacité de travail entière dans toute activité n'exigeant pas de sollicitations répétées ou importantes du membre supérieur gauche ni de sollicitations manuelles gauches autres qu'à hauteur d'établi (cf. aussi le rapport du 1er février 2007, complété le 6 juillet suivant). La CNA a également confié une expertise à la doctoresse O._, spécialiste FMH en psychiatrie, qui, dans son rapport du 27 juin 2006, a diagnostiqué un épisode dépressif léger sans syndrome somatique - l'état de stress post-traumatique diagnostiqué en avril 2005 était en rémission depuis environ début 2006 - et une majoration des symptômes physiques pour des raisons psychologiques. Selon elle, la capacité de travail de l'assuré était d'au moins 70 % sur le plan psychique, quelle que soit l'activité. Après avoir rendu une décision le 18 février 2009, par laquelle elle a considéré que l'assuré subissait une diminution de la capacité de gain de 45 %, la CNA a, sur opposition de V._, demandé au docteur L._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie et médecin conseil de la CNA, d'examiner l'assuré. Se fondant sur les conclusions du psychiatre, selon lesquelles les troubles psychiques dont souffrait l'intéressé ne limitaient pas sa capacité de travail, la CNA a informé V._ qu'elle comptait retenir un taux d'invalidité de 21 % et lui a imparti un délai pour se déterminer (courrier du 8 avril 2011). L'assuré a retiré son opposition par lettre du 31 mai 2011. A.b Entre-temps, le 30 mai 2005, V._ a présenté une demande de prestations de l'assurance-invalidité. L'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI), qui avait été informé par la CNA de la procédure de l'assurance-accidents en cours, a notamment soumis le cas au docteur U._, médecin auprès de son Service médical régional (SMR). Par décisions du 8 avril 2010, l'office AI a mis l'assuré au bénéfice d'une rente entière d'invalidité du 1er juillet 2005 au 30 avril 2006, puis d'un quart de rente, fondé sur un taux d'invalidité de 46 % (45,95 %), à partir du 1er mai 2006, ces prestations étant assorties de rentes pour enfant. B. V._ a déféré cette décision au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales. Après avoir fait verser le dossier de l'assuré établi par la CNA, la juridiction cantonale a admis le recours et réformé la décision du 8 avril 2010 en ce que l'assuré avait droit à une rente entière du 1er juillet 2005 au 30 avril 2006 et à une demi-rente dès le 1er mai 2006 (jugement du 27 juin 2012). C. L'office AI interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement, dont il demande l'annulation. Il conclut au renvoi de la cause à la juridiction cantonale pour nouvelle appréciation des preuves, nouvel établissement des faits, et nouveau jugement. Il requiert également l'octroi de l'effet suspensif à son recours. V._ conclut au rejet de la requête relative à l'effet suspensif et du recours. L'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer. 