Sachverhalt: A. A.a Das Obergericht des Kantons Schaffhausen sprach X._ am 17. Februar 2012 im Berufungsverfahren der sexuellen Handlung mit einem Kind, der sexuellen Nötigung und der groben Verletzung der Verkehrsregeln schuldig. Es verurteilte ihn zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 16 Monaten und zu einer Busse von Fr. 400.--. Die Schadenersatzforderung von Y._ von Fr. 543.-- hiess es gut und sprach ihr eine Genugtuung von Fr. 3'000.-- zu. A.b Den Schuldsprüchen wegen sexueller Handlung mit einem Kind und sexueller Nötigung liegt folgender Sachverhalt zugrunde: Y._ (geboren am xx. xx 1997) spielte an einem Nachmittag ca. Mitte Juni 2004 vor dem Wohnhaus von X._ in A._. Dieser verrichtete gerade Arbeiten als Hauswart und sagte ihr, sie solle zu ihm in den Keller kommen, was sie tat. Er verschloss die Türe des Kellerraums mit einem Schlüssel, setzte Y._ auf einen Holztisch, küsste sie auf die Wange und fragte sie, welche Farbe ihre Unterhose habe. Y._ sagte nichts. Daraufhin zog ihr X._ die Unterhose aus, küsste sie auf die Scheide und erklärte ihr, sie dürfe es ihren Eltern nicht sagen. Er gab ihr sodann 10 Rappen. Als jemand nach ihm rief, schloss er die Türe wieder auf und verliess mit Y._ den Kellerraum. B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, er sei von den Vorwürfen der sexuellen Nötigung und der sexuellen Handlung mit einem Kind freizusprechen und für die grobe Verletzung der Verkehrsregeln mit einer bedingten Geldstrafe von 30 Tagessätzen zu Fr. 10.-- zu bestrafen, bei einer Probezeit von zwei Jahren. Auf die Zivilforderungen sei nicht einzutreten, eventualiter seien diese abzuweisen. Für die ausgestandene Untersuchungshaft und die durch das Strafverfahren erlittenen psychischen und sozialen Beeinträchtigungen sei ihm eine Genugtuung von Fr. 16'000.-- zuzusprechen. Eventualiter sei die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.