Sachverhalt: A. Z._ und X._ verbrachten den Abend vom 1. Mai 2007 mit zwei Kollegen im Spielkasino in Konstanz/D. Im Verlaufe des Abends lernte Z._ Y._ kennen. Gegen Mitternacht anerbot er sich, sie nach Hause (im Kanton Zug) zu fahren. Sie nahm das Angebot an. Sie verliessen das Kasino um 01.50 Uhr. Im Wagen warteten bereits X._ sowie A._ und B._. Die fünf Personen fuhren über die Schweizer Grenze. Auf einem abgelegenen Parkplatz am Waldrand zwischen C._/TG und D._/TG hielten sie ein erstes Mal an. Ein weiteres Mal stoppten sie auf dem Parkplatz "E._" in der Gemeinde F._. Z._ und X._ wird vorgeworfen, anlässlich dieser Stopps Y._ im Freien gemeinsam zu Geschlechts- und versuchtem Analverkehr mit Z._ und zu gleichzeitigem Oralverkehr mit X._ genötigt und weitere sexuelle Handlungen (Eindringen mit Fingern in die Scheide) gegen ihren Willen an ihr vorgenommen zu haben. Überdies sollen sie Y._ auf dem Rücksitz des Autos während der Fahrt verschiedentlich gemeinsam dazu gezwungen haben, Z._ oral zu befriedigen. Um ca. 03.15 Uhr kamen sie in G._/SG an und liessen Y._ gehen. Sie wurde um ca. 03.40 Uhr auf der Strasse von Anwohnern aufgegriffen. B. Das Kantonsgericht St. Gallen sprach Z._ und X._ am 4. April 2012 zweitinstanzlich der gemeinsam begangenen, mehrfachen Vergewaltigung und der gemeinsam begangenen, mehrfachen sexuellen Nötigung schuldig. Es verurteilte Z._ zu einer Freiheitsstrafe von sechs Jahren und X._ zu einer solchen von vier Jahren. Zudem verpflichtete es Z._ und X._ unter solidarischer Haftbarkeit, Y._ eine Genugtuung von Fr. 25'000.-- zu bezahlen. Im Übrigen bestätigte das Kantonsgericht den Entscheid des Kreisgerichts St. Gallen vom 18. und 23. November 2010 (Freisprüche von den Vorwürfen der Freiheitsberaubung und Entführung; Widerruf einer hinsichtlich Z._ am 6. Juli 2005 bedingt ausgesprochenen Freiheitsstrafe von 2 Monaten; Verfahrenskosten; Entschädigung). C. Gegen das kantonsgerichtliche Urteil erheben Z._ (6B_401/2012) und X._ (6B_396/2012) Beschwerde in Strafsachen. Z._ beantragt, es sei der angefochtene Entscheid aufzuheben und die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.