Sachverhalt: A. Das Bezirksgericht Münchwilen verurteilte X._ am 17. November wegen mehrfacher Vergewaltigung und mehrfacher sexueller Nötigung zum Nachteil seiner damaligen Ehefrau A._ zu einer Freiheitsstrafe von 54 Monaten, die das Obergericht Thurgau mit anderen Strafzumessungserwägungen am 25. April 2012 bestätigte. Der von X._ gestellte Beweisantrag auf gerichtliche Einvernahme von A._ wurde von beiden kantonalen Instanzen abgelehnt. B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, die kantonalen Urteile seien aufzuheben und die Angelegenheit zur ergänzenden Beweiserhebung und Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. C. Die Staatsanwaltschaft Frauenfeld hat auf eine Vernehmlassung verzichtet, das Obergericht Thurgau beantragt die Abweisung der Beschwerde. A._ hat sich nicht vernehmen lassen.