Sachverhalt: A. X._ und Y._ arbeiteten beide im Hotel A._ in Luzern, er als Portier, sie als Lehrtochter. Nach der Anklage soll X._ am Abend des 22. Septembers 2009 Y._ in eine Toilette des Hotels gezerrt, ihren Oberkörper nach unten gedrückt haben und gegen ihren Willen anal und vaginal in sie eingedrungen sein. Nach der Darstellung X._s kam es im gegenseitigen Einverständnis zu Analverkehr. B. Das Kriminalgericht Luzern sprach X._ am 16. November 2011 von den Vorwürfen der Vergewaltigung und sexuellen Nötigung frei. Die Staatsanwaltschaft des Kantons Luzern legte dagegen Berufung ein. Das Obergericht des Kantons Luzern sprach X._ am 21. Juni 2012 wegen Vergewaltigung und sexueller Nötigung schuldig. Es verurteilte ihn zu einer teilbedingten Freiheitsstrafe von 2 Jahren und 6 Monaten bei einer Probezeit von 2 Jahren. Den zu vollziehenden Teil der Freiheitsstrafe legte es auf 6 Monate fest. Es verpflichtete X._, Y._ eine Genugtuung von Fr. 15'000.-- zu bezahlen. Dem Grundsatz nach erklärte es den Angeschuldigten für schadenersatzpflichtig und verwies Y._ bezüglich der Schadenshöhe auf den Zivilweg. C. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 21. Juni 2012 sei aufzuheben, und er sei von Schuld und Strafe freizusprechen. X._ ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.