Faits: A. X._, né en 1956, est depuis 1983 locataire d'un appartement de trois pièces et demie à .... Ce logement, qu'il occupe seul, fait partie d'un immeuble qui compte sept autres appartements dont cinq ont été rénovés ces dernières années à l'occasion de départs naturels des locataires. L'immeuble appartient en commun à Y._ et Z._ (bailleurs); le loyer mensuel actuel du locataire X._ s'élève à 900 fr. Par courrier du 12 octobre 2010, la gérance a résilié le bail du locataire pour le 31 mars 2011, prochaine échéance contractuelle; une formule officielle de résiliation de bail était jointe à l'envoi recommandé. Sur requête, la gérance a communiqué les motifs du congé, à savoir la rénovation totale du logement et la location au prix du marché. B. Le locataire a saisi la Commission de conciliation du district, concluant à l'annulation du congé au motif qu'il s'agissait d'un congé de représailles suite à ses remarques et revendications répétées depuis deux ans. Les bailleurs ont répondu que d'importants travaux devaient être effectués dans l'appartement, s'agissant notamment des colonnes de chute, de l'électricité, des toilettes et de la cuisine, et qu'il n'était pas possible que le locataire reste dans l'appartement durant les travaux; pour le surplus, ils ont nié agir par représailles et ont indiqué que le loyer actuel était totalement en-dessous des prix usuels dans le quartier. Par décision du 1er décembre 2010, la Commission de conciliation a retenu que le congé était valable et a accordé une prolongation de bail de quatre ans. Saisi par le locataire, le Tribunal des baux a annulé la résiliation du bail par jugement du 18 avril 2011. Il a retenu que la rénovation projetée n'était pas commandée par des impératifs techniques et que le but final des bailleurs n'était pas de rénover l'appartement, mais de le relouer à un loyer supérieur; puis il a calculé qu'en tenant compte des frais de la rénovation prévue, le nouveau loyer maximal correspondant à un rendement non abusif serait à peine plus élevé que le loyer actuel. Il en a déduit que l'intérêt des bailleurs à obtenir cette minime augmentation de loyer était manifestement disproportionné au regard de l'intérêt du locataire à pouvoir continuer d'habiter l'appartement, alors qu'il l'occupait depuis 28 ans, qu'il était au chômage et souffrait de dépression. Statuant sur appel des bailleurs, la Cour d'appel civile du Tribunal cantonal vaudois, sans procéder à des débats, a réformé le jugement attaqué, déclaré la résiliation de bail valable et accordé au locataire une seule et unique prolongation de bail de trois ans jusqu'au 31 mars 2014. Elle a retenu que le motif de résiliation invoqué, à savoir la rénovation totale du logement, n'était pas abusif et que le maintien du locataire dans l'appartement pendant les travaux n'était pas envisageable. C. Le locataire (recourant) interjette un recours en matière civile au Tribunal fédéral; il conclut principalement à l'annulation du congé, subsidiairement à une prolongation de bail jusqu'au 31 mars 2015. Les bailleurs (intimés) concluent au rejet du recours. Tant le recourant que les intimés ont déposé une seconde écriture. 