Faits: A. A.a D._ a travaillé comme aide-couvreur. Le 24 novembre 1997, il a été victime d'un accident professionnel ayant entraîné des fractures à la colonne vertébrale. La CNA a pris en charge le cas. Par décision du 25 avril 2007, confirmée sur opposition le 29 mai 2008, elle a supprimé le droit de l'intéressé à des prestations, motif pris qu'il avait recouvré une pleine capacité de travail dans une activité adaptée. La décision est entrée en force de chose décidée. A compter du 1er mai 2007, D._ a travaillé en qualité de ferrailleur. Le 21 juin suivant, alors qu'il se trouvait sur un chantier, il a subi un nouvel accident pour lequel il été hospitalisé à la Clinique X._ du 11 au 28 décembre 2007. Après s'être adjoint les services des docteurs M._ et A._, spécialistes FMH en neurologie, et de la physiothérapeute B._, les docteurs R._, spécialiste FMH en médecine physique et réhabilitation et en rhumatologie, et V._ ont posé les diagnostics de dorsolombalgies chroniques irradiant dans les membres inférieurs, de cervicalgies chroniques, de cyphose D11-L2 (séquelle post-traumatique), de fractures de D11 et L1 en 1997 suivies d'une ostéosynthèse D12-L2 puis d'une ablation du matériel d'ostéosynthèse en 1998 et de discret rétrolisthésis L2-L3 d'origine dégénérative. Considérant que l'accident de juin 2007 n'avait pas affecté durablement l'état de santé de l'intéressé, ces spécialistes n'ont pas retenu d'incapacité de travail dans l'activité habituelle postérieure à son séjour dans l'établissement précité (rapport du 10 janvier 2008). Après avoir examiné l'assuré, le docteur O._, spécialiste FMH en chirurgie et médecin d'arrondissement à la CNA, a estimé que l'accident de juin 2007 n'avait eu qu'une faible incidence sur l'état de santé de l'assuré et ne développait plus d'effets (rapport du 10 mars 2008). Par décision du 9 avril 2008 confirmée sur opposition le 29 mai suivant, la CNA a mis fin avec effet au 31 mars 2008 aux prestations allouées à D._ à la suite de son second accident. Le Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales, puis le Tribunal fédéral ont rejeté les recours formés par l'intéressé (jugement du 16 juin 2009, respectivement arrêt du 7 avril 2010 [8C_698/2009]). A.b Le 28 février 2008, D._ a déposé une demande de prestations auprès de l'Office de l'assurance-invalidité pour le canton de Vaud (ci-après: l'office AI) en raison de douleurs dorsales. Dans le cadre de l'instruction de cette demande, l'administration a notamment interpellé les docteurs R._ et V._, lesquels ont indiqué que l'accident du 21 juin 2007 n'avait pas eu d'effets durables sur la capacité de travail de l'intéressé, et E._, spécialiste FMH en médecine générale et médecin traitant (rapports des 13 mai respectivement 26 mars 2008). Le 16 avril 2009, l'office AI a envisagé de refuser à l'assuré le droit à des prestations au motif qu'il disposait d'une pleine capacité de travail dans une activité adaptée. S'opposant à ce projet, D._ a fait verser à son dossier un rapport des docteurs U._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie, et L._, médecins auprès du département de psychiatrie de la Clinique Y._, lesquels faisaient état d'un épisode dépressif "moyen, léger à moyen" et d'un trouble somatoforme douloureux (rapport du 11 mars 2009). Après avoir soumis ce document à l'appréciation de son Service médical régional (ci-après: le SMR; rapport des docteurs Q._, spécialiste FMH en chirurgie, et C._, spécialiste FMH en anesthésiologie, du 17 juin 2009), l'office AI a confirmé sa position par décision du 23 septembre 2009. B. L'assuré a déféré cette décision auprès du Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour des assurances sociales, concluant principalement à l'octroi d'une rente entière de l'assurance-invalidité et subsidiairement au renvoi de la cause à l'administration pour instruction complémentaire et nouvelle décision. Il a déposé l'avis du docteur S._, de la Clinique Z._ (rapport du 30 mars 2010). Le Tribunal cantonal l'a débouté par jugement du 18 octobre 2011. C. D._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont il demande l'annulation. Il conclut au renvoi de la cause au Tribunal cantonal, éventuellement à la CNA (recte: à l'office AI), pour complément d'instruction sous la forme d'une expertise pluridisciplinaire et nouvelle décision; il sollicite le bénéfice de l'assistance judiciaire pour la procédure fédérale. Le Tribunal fédéral a renoncé à procéder à un échange d'écritures.