Sachverhalt: A. A.a X._, geb. 1941, werden gemäss Anklageschrift sexuelle Übergriffe auf Y._, das Enkelkind seiner Lebenspartnerin, zur Last gelegt. Er veranlasste Y._ ab deren sechsten Altersjahr mehrmals, sein entblösstes Glied zu reiben, bis es steif wurde. Anschliessend befriedigte er sich selbst. Teilweise kam er vor ihren Augen zum Samenerguss. Diese Handlungen ereigneten sich insgesamt ca. 15 bis 20 Mal in den Jahren 2002 und 2003. Tatorte waren die Wohnung von X._ und seiner Lebenspartnerin (Hobby- bzw. Geräteraum, Esszimmer, Korridor), eine Toilette, der Garten und die Garage zweier weiterer Liegenschaften in Schaffhausen/Neuhausen. X._ fasste Y._ überdies mehrfach über den Kleidern zwischen ihre Beine und bewegte dabei seine Finger. Nach den Handlungen steckte er ihr ein Stück Schokolade in den Mund und sagte, das Ganze bleibe ihr gemeinsames Geheimnis. A.b Die Untersuchungsbehörden befragten Y._ am 4. April 2007 und am 30. April 2008 im Alter von elf bzw. zwölf Jahren zu den Vorfällen. Die Befragungen erfolgten nach den Vorgaben des Opferhilfegesetzes (OHG; SR 312.5) und wurden auf DVD aufgezeichnet. B. B.a Das Kantonsgericht Schaffhausen verurteilte X._ am 2. September 2009 wegen mehrfacher sexueller Handlungen mit einem Kind und mehrfacher Schändung. Es bestrafte ihn mit einer bedingten Freiheitsstrafe von zwei Jahren. Gegen dieses Urteil erhob X._ Berufung. B.b Mit Beschluss vom 13. August 2010 lehnte das Obergericht des Kantons Schaffhausen den Antrag von X._ auf Einholung eines Glaubhaftigkeitsgutachtens ab. Am 26. Oktober 2010 wies es die Berufung ab und bestätigte das erstinstanzliche Urteil. C. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, das Urteil des Obergerichts vom 26. Oktober 2010 sei aufzuheben, und die Sache sei, unter Zusprechung einer Parteientschädigung, zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen.