Sachverhalt: A. Der deutsche Unternehmer B._ hatte während eines Zeitraumes von mehr als 30 Jahren Einkünfte ausserhalb Deutschlands erzielt und diese in Deutschland nicht versteuert. Im Jahre 1991 waren schliesslich Beträge von insgesamt rund DEM 200 Millionen auf verschiedenen Bankkonten in der Schweiz vorhanden. Die Konten lauteten auf Firmen - unter ihnen "S._ S.A., Mexiko" - die rein treuhänderisch für B._ handelten. Die Vermögenswerte standen B._ zu und waren wirtschaftlich sein Eigentum. 1989 heiratete B._ die geschiedene V._, deren Tochter aus früherer Ehe im Jahre 1990 A._ ehelichte. Im Jahre 1991 lernten sich A._ und B._ kennen. Letzterer hatte seit einiger Zeit nach Möglichkeiten gesucht, um die mit den in der Schweiz angesammelten Geldern zusammenhängenden Steuerprobleme zu lösen. A._ riet ihm, die Gelder bei der Bank X._ in Zürich zusammenzuführen. Nach den Vorstellungen von A._ sollten die Gelder auf ihn übertragen werden, damit er sie in die USA überweise und in Immobilien investiere. Später sollten die Vermögenswerte wieder B._ zugeführt werden. Mit Datum vom 10. Dezember 1991 bzw. 8. Mai 1992 schlossen A._ und B._ sowie die von Letzterem vertretene "S._ S.A., Mexiko" unter den Überschriften "Gemischter Schenkungs-, Niessbrauchsbestellungs- und Rentenvertrag" Vereinbarungen mit im Wesentlichen demselben Inhalt. Demnach sollte A._ für B._ die ihm zu diesem Zweck "schenkungsweise" übertragenen Vermögenswerte "von ca. 200 Millionen DEM" verwalten. A._ zog die Gelder planmässig zusammen. 10 % des Vermögenswertes, d.h. DEM 18,4 Millionen, überwies er auf ein Konto bei der Bank X._, die restlichen 90 % auf ein ihm selbst gehörendes anderes Konto bei dieser Bank. Nachdem B._ gegenüber den deutschen Steuerbehörden eine Selbstanzeige erstattet hatte, war der Grund für die Vermögensübertragung weggefallen. B._ gelangte deshalb an A._ und verlangte die Rückübertragung der Vermögenswerte auf ihn. A._ ging zunächst darauf nicht ein. Daraufhin beauftragte B._ Rechtsanwalt Dr. T._, die Rückgabe der Vermögenswerte gegenüber A._ durchzusetzen. Mit Schreiben vom 11. Juli 1994 verlangte Rechtsanwalt Dr. T._ von A._ die Rückerstattung von DEM 221'650'833.08. In der zweiten Hälfte des Jahres 1994 und anfangs 1995 fanden Verhandlungen über die Rückgabe des Vermögens statt, die Rechtsanwalt Dr. U._ namens von A._ sowie Rechtsanwalt Dr. T._ namens von B._ führten. Am 21. März 1995 unterzeichneten B._ - dieser sowohl in eigenem Namen als auch für "S._ S.A." - und A._ eine Vereinbarung, gemäss der A._ über die ihm seinerzeit überlassenen Vermögenswerte abzurechnen und dieselben oder deren Surrogate zurückzugeben hatte, soweit sie noch in seiner unmittelbaren oder mittelbaren Verfügungsgewalt standen. Diese Vereinbarung vom 21. März 1995 focht A._ mit Schreiben vom 11. Juli 1996 an. Er machte geltend, im Rahmen der Vertragsverhandlungen arglistig getäuscht worden zu sein. B. B.a Mit Eingabe vom 12. Juli 1996 reichte A._ beim Bezirksgericht Zürich unter anderem gegen B._ eine negative Feststellungsklage ein mit dem Begehren, es sei festzustellen, dass die Vereinbarung vom 21. März 1995 nicht zustande gekommen bzw. nichtig sei. Eventuell sei festzustellen, dass er den Beklagten aus dieser Vereinbarung nichts schulde. B._ beantragte Abweisung der Klage und erhob Widerklage auf Zahlung von DEM 212'654'240.-- nebst Zins sowie auf Rechnungslegung und Auskunftserteilung unter Nachklagevorbehalt. Mit Teilurteil vom 25. April 2000 wies das Bezirksgericht die negative Feststellungsklage von A._ ab. Zudem hiess es die Widerklage im spruchreif erachteten Umfang gut, indem es den nach dem Tod von B._ in den Prozess eingetretenen Erbinnen, C._ und D._, den Betrag von DEM 116'498'407.-- nebst 4 % Zins seit 30. September 1997 zusprach und A._ verpflichtete, über die von B._ erhaltenen Vermögenswerte Rechnung zu legen und bestimmte Auskünfte zu erteilen. Mit der Verurteilung zur Zahlung von DEM 116'498'407.-- entschied das Bezirksgericht definitiv über die Vermögenswerte Immobilien in Miami Beach und Indian Creek, noch nicht aber über die Kunstgegenstände und das nicht investierte Vermögen bzw. dessen Surrogate. In Bezug auf diesen letzteren Teil erachtete das Bezirksgericht die Widerklage als nicht spruchreif. In einem gesonderten Beschluss wies das Bezirksgericht den Antrag des Beschwerdeführers, auf die Widerklage nicht einzutreten, ab. Mit Urteil vom 9. Januar 2003 wies das Obergericht des Kantons Zürich die Klage auf die gegen das Teilurteil gerichtete Berufung von A._ hin ab. Die Widerklage hiess es (im spruchreifen Umfang betreffend die Immobilien in Miami Beach und Indian Creek) gut und verurteilte A._ aufgrund der Einführung des Euro zur Zahlung von EUR 59'564'689.67 (entsprechend DEM 116'498'407.--) nebst 4 % Zins seit 30. September 1997. Hingegen entschied es (wie bereits das Bezirksgericht) über das Leistungsbegehren der Widerklage insoweit noch nicht, als die Kunstgegenstände und das nicht investierte Vermögen bzw. die Surrogate betroffen waren. Es verpflichtete A._ diesbezüglich zur Auskunftserteilung und Rechenschaftsablage. Das Obergericht fällte zudem einen gesonderten Beschluss, mit dem es den Rekurs und den Antrag von A._, auf die Widerklage nicht einzutreten, abwies. Die von A._ gegen das Urteil und den Beschluss des Obergerichts erhobene Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht des Kantons Zürich wies dieses mit Sitzungsbeschluss vom 17. November 2003 ab, soweit es darauf eintrat. Vorerst wurde weder gegen die Entscheide des Obergerichts vom 9. Januar 2003 noch gegen den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 ein Rechtsmittel an das Bundesgericht ergriffen. Erst am 8. Mai 2007 erhob A._ gegen den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts staatsrechtliche Beschwerde an das Bundesgericht, nachdem C._ und D._ das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 in Florida am Wohnort von A._ hatten für vollstreckbar erklären lassen. Das Bundesgericht trat mit Urteil vom 21. Mai 2007 auf die staatsrechtliche Beschwerde nicht ein (Verfahren 4P.44/2007). B.b Am 23. März 2005 entschied das Bezirksgericht über den noch nicht beurteilten Teil der Widerklage. Es sprach C._ und D._ weitere EUR 44'917'417.-- nebst Zins zu und wies die Widerklage im Mehrbetrag ab. Gegen dieses Urteil erhob A._ Berufung an das Obergericht. Am 11. Dezember 2008 verpflichtete dieses A._, C._ und D._ als Solidargläubigerinnen EUR 44'917'417.-- nebst Zins zu bezahlen. Zugleich merkte es mit gesondertem Beschluss vor, dass die Abweisung der Widerklage im Mehrbetrag am 20. Juni 2006 rechtskräftig geworden sei. Das Kassationsgericht hiess mit Zirkulationsbeschluss vom 23. Juli 2009 die von A._ gegen das obergerichtliche Urteil vom 11. Dezember 2008 erhobene Nichtigkeitsbeschwerde gut, hob den angefochtenen Entscheid auf und wies die Angelegenheit zur Neubeurteilung an das Obergericht zurück. Auf die Nichtigkeitsbeschwerde gegen den Beschluss des Obergerichts vom 11. Dezember 2008 trat es nicht ein. Das Kassationsgericht befand, bezüglich der Verpflichtung von A._, C._ und D._ EUR 23'494'287.-- für "nicht investierte Vermögenswerte/Surrogate" zu bezahlen, habe das Obergericht den Gehörsanspruch von A._ verletzt durch die Feststellung, A._ habe keine substanziierten Einwendungen gegen diesen Betrag vorgebracht. In den übrigen Bereichen gingen die Rügen von A._ fehl, soweit sie behandelt worden seien. Zugleich mit der kantonalen Nichtigkeitsbeschwerde hatte A._ gegen die Beschlüsse und die Urteile des Obergerichts vom 11. Dezember 2008 und vom 9. Januar 2003 sowie den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 Beschwerde in Zivilsachen erhoben. Das Bundesgericht sistierte sein Verfahren bis zum Entscheid des Kassationsgerichts. Am 11. November 2009 schrieb es das Verfahren hinsichtlich der Beschwerde gegen das Urteil des Obergerichts vom 11. Dezember 2008, den Beschluss und das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 sowie den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 als gegenstandslos geworden ab und trat betreffend den Beschluss des Obergerichts vom 11. Dezember 2008 auf die Beschwerde nicht ein (Verfahren 4A_85/2009). Daraufhin fällte das Obergericht einen neuen Entscheid. Mit Beschluss vom 25. Mai 2010 hob es das Urteil des Bezirksgerichts vom 23. März 2005 auf und wies den Prozess zur Durchführung eines Beweisverfahrens im Sinne der Erwägungen und zu neuer Entscheidung an das Bezirksgericht zurück. Dieses hatte noch die beiden widerklageweise geltend gemachten Positionen "Kunstgegenstände" und "nicht investierte Vermögenswerte/Surrogate" zu beurteilen. Am 22. Juni 2011 trat das Bezirksgericht auf den Antrag von A._, wonach die Teilwiderklage abzuweisen sei, nicht ein. Zudem verpflichtete es A._, C._ und D._ EUR 21'423'129.-- sowie USD 2'027'000.--, jeweils nebst Zins, zu bezahlen. Dagegen erhob A._ Berufung an das Obergericht und beantragte, die Teilwiderklage vollumfänglich abzuweisen, eventualiter die Sache zur Neubeurteilung an das Bezirksgericht zurückzuweisen. Mit Urteil vom 3. August 2012 erachtete das Obergericht die Berufung für unbegründet und verpflichtete A._, C._ und D._, EUR 21'423'129.-- sowie USD 2'027'000.--, jeweils nebst Zins zu 4 % seit dem 30. September 1997, zu bezahlen. B.c Mit Verfügung vom 21. Juli 2009 erliess das Bezirksgericht Zürich auf Gesuch von C._ und D._ und gestützt auf das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 und die Vereinbarung vom 21. März 1995 einen Arrestbefehl für die bei der Bank Y._ und die bei der Bank Z._ vorhandenen Vermögenswerte, Guthaben und Forderungen von A._. In der Folge wurde in den diesbezüglichen Betreibungen die definitive Rechtsöffnung jedoch vom Bezirks- und Obergericht verweigert. Die dagegen von C._ und D._ erhobene Beschwerde wies die II. zivilrechtliche Abteilung des Bundesgerichts mit Urteil vom 5. September 2011 ab. Sie erkannte, aus übergangsrechtlichen Gründen müsse die Möglichkeit zugelassen werden, das Teilurteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 zusammen mit dem späteren "Vollentscheid" mitanzufechten. Mangels Vollstreckbarkeit könne demnach die definitive Rechtsöffnung für das Teilurteil vom 9. Januar 2003 nicht erteilt werden (Verfahren 5A_188/2011). C. A._ (Beschwerdeführer) beantragt mit Beschwerde in Zivilsachen, das Urteil des Obergerichts vom 3. August 2012, den Sitzungsbeschluss des Kassationsgerichts vom 17. November 2003 sowie den Beschluss und das Urteil des Obergerichts vom 9. Januar 2003 vollumfänglich aufzuheben. Es seien die in der Berufungsschrift vom 1. November 2000 gestellten Anträge gutzuheissen (ohne Hervorhebungen): "b) Die vor erster Instanz erhobenen Anträge seien gutzuheissen, d.h. i) Es sei festzustellen, dass die am 21. März 1995 zwischen dem Kläger und +B._ geschlossene Vereinbarung nicht zustande gekommen ist. Eventualiter zu i): Es sei festzustellen, dass der Kläger den Beklagten aus der Vereinbarung vom 21. März 1995 nichts schuldet. ii) Auf die Widerklage sei nicht einzutreten. Eventualiter zu ii): Die Widerklage sei abzuweisen. Eventualiter zu 1b): Der Prozess sei zur Durchführung eines Beweisverfahrens und zur Neubeurteilung ans Bezirksgericht zurückzuweisen." Eventualiter sei die Sache an das Obergericht des Kantons Zürich zur Neubeurteilung zurückzuweisen. C._ und D._ (Beschwerdegegnerinnen) beantragen, auf die Beschwerde nicht einzutreten. Sofern und soweit auf sie eingetreten werde, sei sie abzuweisen, und die angefochtenen Entscheide seien zu bestätigen. Das Obergericht verzichtete auf eine Vernehmlassung. Die Parteien reichten Replik und Duplik ein. 