Sachverhalt: A. Gemäss Anklage habe X._ am 2. Februar 2010, mittags, mit seiner damaligen Ehefrau Geschlechtsverkehr gewollt, was diese abgelehnt habe. Er habe in der Küche ein Messer ergriffen, dieses an die rechte Brust und den linken Oberarm seiner Ehefrau gehalten und ihr gedroht, sie zu töten. Die verängstigte Ehefrau sei X._ ins Schlafzimmer gefolgt, wo dieser gegen ihren Willen an ihr den Geschlechtsverkehr vollzogen habe. B. Das Kantonsgericht Luzern sprach X._ zweitinstanzlich der Vergewaltigung schuldig und verurteilte ihn unter Berücksichtigung des rechtskräftigen erstinstanzlichen Schuldspruchs wegen mehrfacher Widerhandlung gegen das Waffengesetz zu einer bedingten Freiheitsstrafe von zwei Jahren. C. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, das Urteil des Kantonsgerichts sei teilweise aufzuheben und er vom Vorwurf der Vergewaltigung freizusprechen. Für die mehrfache Widerhandlung gegen das Waffengesetz sei er mit einer bedingten Geldstrafe von 30 Tagessätzen zu Fr. 30.-- zu bestrafen. Die beschlagnahmten Messer seien ihm herauszugeben. Eventualiter sei die Sache zur neuen Beurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.