Sachverhalt:
A. X._ fuhr am 8. Juli 2011 einen Lieferwagen auf der Hauptstrasse ausserorts in Waltalingen. Bei einem Überholmanöver überschritt er die zulässige Höchstgeschwindigkeit von 80 km/h nach Abzug der Messtoleranz um 31 km/h.
B. Das Bezirksgericht Andelfingen verurteilte X._ wegen grober Verletzung der Verkehrsregeln zu einer bedingten Geldstrafe von 11 Tagessätzen zu je Fr. 30.-- und einer Busse von Fr. 300.--. Auf Berufung von X._ hin bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich das erstinstanzliche Urteil.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, ihn vom Vorwurf der groben Verkehrsregelverletzung freizusprechen und wegen einfacher Verkehrsregelverletzung angemessen zu bestrafen.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Verurteilung wegen grober Verkehrsregelverletzung nach Art. 90 Ziff. 2 SVG. Er bestreitet in subjektiver Hinsicht, rücksichtslos gehandelt zu haben.
1.2 Nach Art. 90 Ziff. 2 SVG macht sich strafbar, wer durch grobe Verletzung von Verkehrsregeln eine ernstliche Gefahr für die Sicherheit anderer hervorruft oder in Kauf nimmt.
Der objektive Tatbestand von Art. 90 Ziff. 2 SVG ist erfüllt, wenn der Täter eine wichtige Verkehrsvorschrift in objektiv schwerer Weise missachtet und die Verkehrssicherheit ernstlich gefährdet. Eine ernstliche Gefahr für die Sicherheit anderer ist bereits bei einer erhöhten abstrakten Gefährdung gegeben. Diese setzt die naheliegende Möglichkeit einer konkreten Gefährdung oder Verletzung voraus. Subjektiv erfordert der Tatbestand ein rücksichtsloses oder sonst schwerwiegend verkehrsregelwidriges Verhalten, d.h. ein schweres Verschulden, bei fahrlässigem Handeln mindestens grobe Fahrlässigkeit. Diese ist zu bejahen, wenn der Täter sich der allgemeinen Gefährlichkeit seiner verkehrsregelwidrigen Fahrweise bewusst ist. Grobe Fahrlässigkeit kann aber auch vorliegen, wenn der Täter die Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer pflichtwidrig gar nicht in Betracht zieht. Die Annahme einer groben Verkehrsregelverletzung setzt in diesem Fall voraus, dass das Nichtbedenken der Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer auf Rücksichtslosigkeit beruht (BGE 131 IV 133 E. 3.2; 130 IV 32 E. 5.1; je mit Hinweisen).
1.3 Nach der Rechtsprechung begeht ungeachtet der konkreten Umstände objektiv eine grobe Verkehrsregelverletzung, wer die zulässige Höchstgeschwindigkeit auf Strassen ausserorts um 30 km/h oder mehr überschreitet (BGE 124 II 259 E. 2c; 121 IV 230 E. 2c). Grundsätzlich ist von einer objektiv groben Verletzung der Verkehrsregeln durch Überschreiten der zulässigen Höchstgeschwindigkeit auf ein zumindest grobfahrlässiges Verhalten zu schliessen. Die Rücksichtslosigkeit ist ausnahmsweise zu verneinen, wenn besondere Umstände vorliegen, die das Verhalten subjektiv in einem milderen Licht erscheinen lassen (Urteile 6B_104/2012 vom 26. September 2012 E. 2; 6B_283/2011 vom 3. November 2011 E. 1.2 und 1.4; 6B_563/2009 vom 20. November 2009 E. 1.4.2). Dies wurde beispielsweise bezüglich eines Fahrzeugführers angenommen, der die während einer Woche geltende, örtlich begrenzte Geschwindigkeitsreduktion übersehen hatte (Urteil 6B_109/2008 vom 13. Juni 2008 E. 3.2; vgl. auch Urteil 6B_622/2009 vom 23. Oktober 2009 E. 3.5). An dieser Rechtsprechung ist entgegen der Kritik des Beschwerdeführers (Beschwerde S. 7 f.) festzuhalten.
1.4 Der Beschwerdeführer fuhr 31 km/h zu schnell, weshalb objektiv von einer groben Verkehrsregelverletzung auszugehen ist. Die Vorinstanz verneint zu Recht besondere Umstände, welche sein Fehlverhalten in subjektiver Hinsicht relativieren könnten (Urteil S. 9-11). Gemäss dem angefochtenen Entscheid war der ortskundige Beschwerdeführer in Eile, da er einen Geschäftstermin wahrnehmen wollte. Ab Ortsende Gisenhard bot sich ihm eine Möglichkeit, das vor ihm fahrende Cabriolet zu überholen. Obschon dieses nach der mit 50 km/h signalisierten Innerortszone zügig beschleunigte, entschloss er sich zum Überholmanöver und setzte dieses mit einer Geschwindigkeit von 111 km/h fort. Die Vorinstanz führt zutreffend aus, der Beschwerdeführer habe damit rechnen müssen, das vor ihm fahrende Cabriolet werde nach Beendigung der Innerortszone von Gisenhard auf die erlaubten 80 km/h beschleunigen. Er hätte daher nicht zum Überholen ansetzen dürfen. Jedenfalls hätte er den Überholvorgang spätestens abbrechen müssen, als ihm bewusst wurde, dass das Fahrzeug vor ihm zügig beschleunigte (Urteil S. 9 f.). Indem er das Überholmanöver mit der übersetzten Geschwindigkeit von 111 km/h fortsetzte, offenbarte er ein rücksichtsloses Verhalten.
1.5 Was der Beschwerdeführer dagegen einwendet, überzeugt nicht. Gute Witterungs-, Strassen- und Verkehrsverhältnisse stellen keine besonderen Umstände dar, welche die objektiv grobe Verkehrsregelverletzung subjektiv in milderem Licht erscheinen lassen (Urteil 6B_283/2011 vom 3. November 2011 E. 1.4; Beschwerde S. 6 und 9).
Im Urteil 6B_622/2009 vom 23. Oktober 2009 (E. 3.5) ging es um eine Geschwindigkeitsüberschreitung in einer 60 km/h-Zone, die optisch einer Ausserortsstrecke glich, wobei die Geschwindigkeitsbeschränkung Teil von Massnahmen eines Verkehrsberuhigungskonzepts bildete. Zu beurteilen war eine gefahrene Geschwindigkeit von 89 km/h bzw. eine Überschreitung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit um 29 km/h. Der Beschwerdeführer fuhr bei ähnlichen Strassenverhältnissen mit einer Geschwindigkeit von 111 km/h. Er kann aus dem zitierten Entscheid nichts zu seinen Gunsten ableiten (Beschwerde S. 4 und 6).
Der Beschwerdeführer kann sich nicht auf den Vertrauensgrundsatz berufen (Beschwerde S. 5 f.). Die Vorinstanz verneint eine Verletzung von Art. 35 Abs. 7 Satz 2 SVG durch den überholten Fahrzeugführer, da dieser seine Geschwindigkeit unabhängig vom Überholmanöver aufgrund der weggefallenen Geschwindigkeitsbeschränkung erhöhte (Urteil S. 9 f.). Selbst wenn jener pflichtwidrig während des Überholvorgangs zu beschleunigen begonnen hätte, vermöchte dies die massive Geschwindigkeitsüberschreitung nach der Rechtsprechung nicht zu rechtfertigen (vgl. dazu BGE 96 I 766 E. 7; Urteil 6A.4/2006 vom 27. Februar 2006 E. 3).
1.6 Der Schuldspruch wegen grober Verkehrsregelverletzung im Sinne von Art. 90 Ziff. 2 SVG ist bundesrechtskonform.
2. Die Beschwerde ist abzuweisen. Die Gerichtskosten sind dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 4. April 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Kratz-Ulmer