Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Aargau verurteilte X._ im Berufungsverfahren am 23. Juni 2010 als Zusatzstrafe zu einem Urteil des Militärgerichts 7 wegen fahrlässiger Tötung, schwerer Körperverletzung sowie Raufhandels zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren und 356 Tagen. Die dagegen erhobene Beschwerde von X._ wies das Bundesgericht am 4. April 2011 ab, soweit es darauf eintrat (Verfahren 6B_758/2010).
B. Ein von X._ gestelltes Wiederaufnahmegesuch wies das Obergericht des Kantons Aargau am 20. September 2012 ab.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das Urteil des Obergerichts vom 20. September 2012 sei aufzuheben und die Strafsache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung von Art. 385 StGB und eine willkürliche Anwendung kantonalen Prozessrechts (Art. 230 Abs. 1 Ziff. 1 StPO/AG). Er macht geltend, indem die Vorinstanz die beantragten Zeugeneinvernahmen abweise, habe sie ihm verunmöglicht, bestehende Revisionsgründe glaubhaft zu machen und verletze seinen Anspruch auf rechtliches Gehör (Art. 29 Abs. 2 BV). Aufgrund der Aussagen der beantragten Zeugen, die allesamt anerkannte Mediziner auf dem Gebiet der sich stellenden Sachfragen der Neurochirurgie seien, ergäben sich ernsthafte Zweifel an der Vollständigkeit und Fundiertheit des gerichtsmedizinischen Gutachtens, auf deren Grundlage der Beschwerdeführer verurteilt worden ist. Dr. B._, Oberarzt der Intensivmedizin am Kantonsspital Aargau (KSA) habe ihm gegenüber bestätigt, dass die Akten der Intensivmedizin weder den damaligen Gutachtern des Instituts für Rechtsmedizin der Universität Bern (IRM Bern) noch dem Berufungsgericht zur Verfügung gestanden hätten. Zudem belegten öffentliche Aussagen zweier in Europa führender Neurochirurgen, dass die gutachterlichen Schlussfolgerungen unhaltbar seien.
1.2 Die Vorinstanz erwägt, der Beschwerdeführer habe die Rüge, das Gutachten basiere auf unvollständigen medizinischen Unterlagen, bereits im Berufungsverfahren erhoben. Es handle sich insoweit um keine neue Tatsache. Zudem gingen seine Vorbringen an der Sache vorbei. Sämtliche vom Beschwerdeführer (und dem Zeugen Dr. B._) angeblich nicht berücksichtigten Abläufe und Behandlungen im KSA seien im Gutachten berücksichtigt worden, weshalb es offensichtlich auf den entsprechenden (und vollständigen) Unterlagen basiere. Aufgrund der sich bei den Akten befindlichen medizinischen Unterlagen des KSA, die dem IRM Bern zugestellt worden seien, habe das Obergericht im Berufungsurteil festgehalten, den Gutachtern hätten sämtliche Akten zur Verfügung gestanden. Auf die entsprechenden Erwägungen, die zudem vom Bundesgericht bestätigt worden seien, könne verwiesen werden. Hiergegen vermöge der Beschwerdeführer nichts Neues vorzubringen (angefochtenes Urteil E. 3.1.2 S. 12 f.).
Soweit sich der Beschwerdeführer auf die vom gerichtsmedizinischen Gutachten abweichenden Meinungen der Neurochirurgen Prof. Dr. med. C._ und Prof. Dr. med. D._ berufe, handle es sich (ebenfalls) nicht um Noven. Der Beschwerdeführer habe mit den gleichen Vorbringen bereits im Berufungsverfahren nicht durchdringen können (angefochtenes Urteil E. 3.2.2 S. 14).
Soweit sich der Beschwerdeführer auf die vom gerichtsmedizinischen Gutachten abweichenden Meinungen der Neurochirurgen Prof. Dr. med. C._ und Prof. Dr. med. D._ berufe, handle es sich (ebenfalls) nicht um Noven. Der Beschwerdeführer habe mit den gleichen Vorbringen bereits im Berufungsverfahren nicht durchdringen können (angefochtenes Urteil E. 3.2.2 S. 14).
1.3 1.3.1 Das obergerichtliche Urteil, dessen Wiederaufnahme beantragt wird, wurde am 23. Juni 2010 und somit vor Inkrafttreten der Schweizerischen Strafprozessordnung am 1. Januar 2011 gefällt. Die Vorinstanz beurteilt das Wiederaufnahmegesuch zutreffend nach den Vorschriften der aargauischen Prozessordnung (Art. 453 Abs. 1 StPO).
1.3.2 Gemäss Art. 230 Abs. 1 Ziff. 1 StPO/AG kann gegen jedes rechtskräftige Strafurteil die Wiederaufnahme des Verfahrens verlangt werden, wenn erhebliche Tatsachen oder Beweismittel vorliegen, die dem Gericht zur Zeit des früheren Verfahrens nicht bekannt waren und die allein oder zusammen mit den früher festgestellten Tatsachen geeignet sind, die Freisprechung des Verurteilten oder eine erheblich geringere Bestrafung herbeizuführen oder eine andere Beurteilung des Zivilpunktes zu bewirken. Die Vorschrift entspricht inhaltlich Art. 385 StGB und Art. 410 Abs. 1 lit. a StPO.
Unter Tatsachen sind Umstände zu verstehen, die im Rahmen des dem Urteil zu Grunde liegenden Sachverhalts von Bedeutung sind. Mit Beweismitteln wird der Nachweis von Tatsachen erbracht. Eine Meinung, eine persönliche Würdigung oder eine neue Rechtsauffassung vermag die Wiederaufnahme nicht zu rechtfertigen (BGE 137 IV 59 E. 5.1.1 S. 66). Erforderlich sind erhebliche neue Tatsachen oder Beweismittel, die geeignet sind, die Beweisgrundlage des früheren Urteils so zu erschüttern, dass aufgrund des veränderten Sachverhalts ein wesentlich milderes Urteil möglich ist (BGE 130 IV 72 E. 1 S. 73; 122 IV 66 E. 2a S. 67 f.; je mit Hinweisen). Die Wahrscheinlichkeit einer Abänderung des früheren Urteils genügt für die Zulassung der Revision. Deren Nachweis darf nicht dadurch verunmöglicht werden, dass ein jeden begründeten Zweifel ausschliessender Beweis für die neue Tatsache verlangt wird (BGE 116 IV 353 E. 4e S. 360 f.).
Ob eine Tatsache oder ein Beweismittel geeignet ist, die tatsächlichen Grundlagen des Urteils zu erschüttern, dessen Revision verlangt wird, ist eine Tatfrage (BGE 130 IV 72 E. 1 S. 73; 116 IV 353 E. 2b S. 356; je mit Hinweisen). Rechtsfrage ist hingegen, ob die voraussichtliche Veränderung der tatsächlichen Grundlagen rechtlich relevant ist, d.h. zu einem im Schuld- oder Strafpunkt für den Verurteilten günstigeren Urteil führen kann (BGE 130 IV 72 E. 1 S. 73; 122 IV 66 E. 2a S. 67 f.; je mit Hinweisen).
1.3.3 Wird die Verletzung von Grundrechten - einschliesslich Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung - (zum Begriff der Willkür vgl. BGE 138 I 49 E. 7.1 S. 51) gerügt, gelten qualifizierte Begründungsanforderungen (BGE 138 IV 13 E. 2 S. 15). Anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheids ist darzulegen, inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt worden sein sollen (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 136 I 65 E. 1.3.1 S. 68). Auf eine rein appellatorische Kritik am angefochtenen Urteil tritt das Bundesgericht nicht ein (BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 S. 4; 136 II 489 E. 2.8 S. 494).
1.3.3 Wird die Verletzung von Grundrechten - einschliesslich Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung - (zum Begriff der Willkür vgl. BGE 138 I 49 E. 7.1 S. 51) gerügt, gelten qualifizierte Begründungsanforderungen (BGE 138 IV 13 E. 2 S. 15). Anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheids ist darzulegen, inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt worden sein sollen (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 136 I 65 E. 1.3.1 S. 68). Auf eine rein appellatorische Kritik am angefochtenen Urteil tritt das Bundesgericht nicht ein (BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 S. 4; 136 II 489 E. 2.8 S. 494).
1.4 1.4.1 Die Rügen des Beschwerdeführers an der Beweiswürdigung hinsichtlich Noven und deren Erheblichkeit gehen an der Sache vorbei. Soweit er geltend macht, das Gutachten leide an formellen Mängeln, da den Gutachtern nicht die vollständigen medizinischen Akten zur Verfügung gestanden hätten, wiederholt er dieselben Vorbringen, die er bereits im Berufungsverfahren und in seiner anschliessenden Beschwerde ans Bundesgericht (Verfahren 6B_758/2010) vorgebracht hat.
Der Vorwurf, die Vorinstanz habe eine Beweiswürdigung verunmöglicht, da sie die beantragten Beweismittel nicht erhoben habe, ist unzutreffend. Der Beschwerdeführer verkennt, dass die Vorinstanz in antizipierter Beweiswürdigung die Erheblichkeit der neuen Beweismittel verneint hat. Zwar entsteht auf Grund der Formulierung der Eindruck, sie habe die Wiederaufnahme des Verfahrens mangels neuer Tatsachen verweigert. Aus den Erwägungen ergibt sich jedoch ohne weiteres, dass sie die (allfällige) Aussage von Dr. B._, die Akten der Intensivmedizin hätten weder den damaligen Gutachtern noch dem Berufungsgericht zur Verfügung gestanden, aufgrund der Verfahrensakten und des Inhalts des gerichtsmedizinischen Gutachtens als widerlegt ansieht. Sie zeigt mit hinreichender Begründung unter Verweis auf die kantonalen Akten und das Gutachten auf, weshalb von einer Aussage von Dr. B._ kein weiterer sachrelevanter Erkenntnisgewinn zu erwarten ist und eine Einvernahme nichts am Beweisergebnis ändern kann. Inwiefern es willkürlich sein soll, die Aussage aufgrund der Aktenlage als widerlegt und demnach als nicht erheblich anzusehen, ist nicht ersichtlich und wird vom Beschwerdeführer auch nicht dargelegt. Dieser setzt sich mit den vorinstanzlichen Erwägungen - wenn überhaupt - nur rudimentär auseinander und beschränkt sich darauf, den tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz seine eigene Sicht der Dinge entgegenzuhalten. Damit erschöpft sich die Beschwerde weitgehend in appellatorischer Kritik am angefochtenen Urteil, die nicht geeignet ist, die Vorwürfe der willkürlichen antizipierten Beweiswürdigung zu begründen (Art. 106 Abs. 2 BGG). Die Rügen sind unbegründet, soweit sie überhaupt den Begründungsanforderungen von Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG genügen.
1.4.2 Dass die Neurochirurgen Prof. Dr. med. C._ und Prof. Dr. med. D._ eine vom gerichtsmedizinischen Gutachten abweichende Meinung zur Todesursache von A._ vertreten, vermag dessen Schlüssigkeit nicht in Zweifel zu ziehen und lässt die vorinstanzliche Würdigung nicht willkürlich erscheinen. Andere Meinungen oder Würdigungen können nur dann einen Revisionsgrund darstellen, wenn sie mit überlegenen Gründen vom ersten Gutachten abweichen und klare Fehler des früheren Gutachtens aufzeigen, die geeignet sind, die Beweisgrundlage des ersten Urteils zu erschüttern (Urteile 6P.93/2004 vom 15. November 2004 E. 4; 6S.452/2004 vom 1. Oktober 2005 E. 2.2; 6B_539/2008 vom 8. Oktober 2008 E. 1.3). Dies ist vorliegend nicht der Fall. Die Vorinstanz hatte deshalb keine Veranlassung, die Mediziner als (sachverständige) Zeugen zu befragen. Diese leiten ihre Schlussfolgerungen auch nicht aus Erkenntnissen ab, die den Gutachtern im Zeitpunkt der Begutachtung nicht bekannt waren oder auf neuen, überlegenen medizinischen Erkenntnissen beruhen. Die gutachterliche Diagnosestellung ist umfassend und wurde anlässlich der Berufungsverhandlung durch zwei weitere Sachverständige bestätigt. Die Vorinstanz konnte willkürfrei am Gutachten des IRM Bern festhalten. Die vorinstanzliche Beweiswürdigung und Sachverhaltsfeststellung verstösst nicht gegen Art. 385 StGB.
1.5 Vor dem Hintergrund der willkürfreien Beweiswürdigung erweisen sich die Rügen der Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör sowie des kantonalen Prozessrechts (Art. 230 Abs. 1 Ziff. 1 StPO/AG) als unbegründet. Darüber hinaus hätte deren Verletzung klar und substantiiert begründet werden müssen (Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 137 IV E. 4.2.3; 136 I E. 1.3.1; je mit Hinweisen), was der Beschwerdeführer unterlassen hat.
2. Auf die Rüge, die Vorinstanz verletze Art. 29 Abs. 3 BV und Art. 6 Ziff. 3 lit. c EMRK, da sie sein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wegen anfänglicher Aussichtslosigkeit zu Unrecht abgewiesen und ihm die Ablehnung erst mit der Urteilseröffnung mitgeteilt habe, ist nicht einzutreten. Die EMRK ist auf das Revisionsverfahren nicht anwendbar (Stephan Gass, in: Basler Kommentar, Strafrecht II, 2. Aufl. 2007, N. 66 zu Art. 385, mit Hinweis). Zudem geht aus der Beschwerde nicht hervor, inwiefern die Vorinstanz Art. 29 Abs. 3 BV willkürlich ausgelegt haben soll (vgl. vorstehend E. 1.5).
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos war (Art. 64 Abs. 1 BGG e contrario). Der Beschwerdeführer wird ausgangsgemäss kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Seinen finanziellen Verhältnissen ist bei der Bemessung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen (Art. 65 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Aargau, Strafgericht, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 2. Mai 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Held