Sachverhalt:
A. Die Staatsanwaltschaft des Kantons Luzern wirft X._ vor, zwischen dem 19. Februar 2008 und dem 29. März 2010 mit Unterbrüchen erheblichen Kokainhandel betrieben zu haben. Er habe mindestens 1615 Gramm Kokaingemisch verkauft und einen Umsatz von über Fr. 100'000.-- bzw. einen Gewinn von mehr als Fr. 10'000.-- erzielt. Überdies habe er von zwei Personen insgesamt 30 bis 50 Kügelchen sowie 40 Gramm Kokaingemisch erworben.
B. Das Kriminalgericht Luzern verurteilte X._ am 11. November 2011 wegen mehrfacher Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz zu einer Gesamtstrafe von vier Jahren Freiheitsstrafe, unter Anrechnung von 148 Tagen Untersuchungshaft. Es widerrief die bedingte Entlassung aus dem Strafvollzug vom 19. Februar 2008 und berücksichtigte die Reststrafe von 72 Tagen.
Auf Berufung des Angeschuldigten bestätigte das Obergericht des Kantons Luzern am 23. August 2012 den Schuldspruch. Es verurteilte ihn zu einer unbedingten Freiheitsstrafe von drei Jahren unter Anrechnung der Untersuchungshaft. Von einem Widerruf der bedingten Entlassung aus dem Strafvollzug sah es ab.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, eventualiter sei die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er sei wegen mehrfacher Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz zu verurteilen, jedoch nach Art. 19 Ziff. 3 lit. b BetmG mit einer bedingten, eventuell teilbedingten Freiheitsstrafe von 20 Monaten zu bestrafen. X._ ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt, mehrere wichtige Zeugen seien aus verschiedenen Gründen unter polizeilichem Druck gestanden und hätten zweifelhafte Aussagen gemacht. A._ sei zu Unrecht in antizipierter Beweiswürdigung nach der Entlassung aus dem Gefängnis nicht nochmals befragt worden. Die Vorinstanz habe es ausserdem unterlassen, neben den belastenden auch die entlastenden Umstände abzuklären. So seien entlastende Beweise, wie eine Haaranalyse, nicht vorgenommen worden, um seine eigene Drogensucht zu untersuchen. Auch sei nicht geklärt worden, wann er genau im Spital und im Ausland gewesen sei (Beschwerde, S. 5 f.). B._ habe ihn mit einem anderen "Kügelidealer" verwechselt. Die Vorinstanz relativiere denn auch zu Recht dessen Angaben zur insgesamt verkauften Drogenmenge, begründe aber nicht, weshalb sie dennoch auf seine Angabe abstelle, wonach er täglich Kokain-Fingerlinge bei ihm erworben habe (Beschwerde, S. 10 f.).
Der Beschwerdeführer räumt ein, er habe sich regelmässig in der Bar "C._" in Luzern aufgehalten. Es sei nicht verwunderlich, wenn er verschiedenen Stammgästen bekannt sei. Er habe dort auch manchmal Kokain verkauft, um sich seinen Eigenbedarf zu finanzieren. Er wehre sich aber gegen den Vorwurf der Gewerbsmässigkeit. Er habe nie einen Gewinn von Fr. 10'000.-- bzw. einen Umsatz von Fr. 100'000.-- erzielt. Es bestünden wesentliche Zweifel, ob die berechnete nachgewiesene Menge tatsächlich zutreffe. Ein im Jahr 2008 publizierter Artikel in der NZZ gehe von einem Grammpreis von Fr. 50.-- aus. Selbst wenn die eingeklagte Drogenmenge zuträfe, hätte er lediglich einen Umsatz von Fr. 20'000.-- und einen Gewinn von Fr. 4'000.-- bis Fr. 5'000.-- erzielen können. Er habe weder aus niederen Motiven noch aus Gewinnsucht Kokain verkauft, sondern weil er am untersten Rand der Gesellschaft gelebt, mit diesen Leuten verkehrt und selbst Drogen konsumiert habe. Deshalb sei er in die Szene hineingerutscht (Beschwerde, S. 7 ff.).
1.2 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zu Grunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG; Art. 105 Abs. 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von Art. 97 Abs. 1 BGG ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (BGE 137 III 226 E. 4.2 mit Hinweisen; zum Begriff der Willkür BGE 138 I 49 E. 7.1; 136 III 552 E. 4.2; je mit Hinweisen). Eine entsprechende Rüge muss klar und substantiiert begründet werden (Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 137 IV 1 E. 4.2.3; 136 I 65 E. 1.3.1; je mit Hinweisen).
1.3 Der Beschwerdeführer legt in seiner Sachverhaltsrüge lediglich die eigene Sicht der Dinge dar, ohne sich detailliert mit der sorgfältigen Beweiswürdigung der Vorinstanz, auf die verwiesen werden kann (Urteil, S. 6-19; Art. 109 Abs. 3 BGG), auseinanderzusetzen (BGE 138 I 49 E. 7.1). Das reicht nicht, um Willkür darzutun. Auf seine appellatorische Kritik an den vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen ist nicht einzutreten.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz berücksichtige zu Unrecht Art. 19 Ziff. 3 lit. b BetmG nicht, wonach das Gericht die Strafe nach freiem Ermessen mildern kann, wenn der Täter drogensüchtig ist. Sie missachte damit die Grundsätze der "lex mitior". Er habe mehrfach geltend gemacht, selber regelmässig Kokain konsumiert zu haben (Beschwerde, S. 8 f.).
2.2 Das Vorbringen des Beschwerdeführers geht an der Sache vorbei. Die Vorinstanz hat willkürfrei festgestellt, dass der Beschwerdeführer nicht drogensüchtig ist, auch wenn er - zumindest in der Vergangenheit - gelegentlich Drogen konsumiert hat. Bei dieser Sachlage findet Art. 19 Ziff. 3 lit. b BetmG von vornherein keine Anwendung, weshalb sich auch die Frage nach der lex mitior nicht stellt.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung der Vorinstanz. Aufgrund des Umsatzes, des Gewinns und seines Eigenkonsums hätte nicht auf gewerbsmässigen Drogenhandel geschlossen werden dürfen. Zudem habe er sich am untersten Rand der Händlerkette befunden. Der Beschwerdeführer erachtet eine Strafe von 20 Monaten als angemessen. Wegen seiner HIV-Erkrankung im fortgeschrittenen Stadium und den Bemühungen, den Lebensunterhalt durch Arbeit zu verdienen, sowie der Reue und seinem bald dreijährigen Wohlverhalten sei ihm eine gute Prognose zu stellen. Die Strafe sei daher bedingt, eventualiter teilbedingt auszusprechen (Beschwerde, S. 12 f.).
3.2 Gemäss Art. 47 StGB misst der Richter die Strafe nach dem Verschulden des Täters zu. Er beurteilt die Beweggründe, das Vorleben und die persönlichen Verhältnisse des Schuldigen. Es liegt im Ermessen des Sachrichters, in welchem Umfang er die verschiedenen Strafzumessungsfaktoren berücksichtigt. Das Bundesgericht greift nur in die Strafzumessung ein, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat, wenn sie von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist oder wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen beziehungsweise in Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat (BGE 135 IV 130 E. 5.3.1; 134 IV 17 E. 2.1; je mit Hinweisen).
3.3 Die Strafzumessung der Vorinstanz ist nicht zu beanstanden. Sie enthält die wesentlichen Tat- und Täterkomponenten sowie die nachvollziehbaren Schlüsse. Auf die appellatorischen Rügen des Beschwerdeführers, weshalb die Strafe zu senken sei, ist nicht einzutreten. An der Sache vorbei geht sein Vorbringen, ihm sei eine bedingte oder teilbedingte Strafe zu gewähren. Da er am 12. Dezember 2007 bereits zu einer unbedingten Freiheitsstrafe von sechs Monaten verurteilt worden ist, ist der Strafaufschub nur zulässig, wenn besonders günstige Umstände vorliegen (Art. 42 Abs. 2 StGB). Er legt nicht dar, inwiefern solche Umstände vorliegen. Die Vorinstanz verletzt kein Bundesrecht, indem sie bei ihm eine besonders günstige Prognose verneint.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer beanstandet die Kostenauflage. Obwohl die Vorinstanz das Strafmass von vier auf drei Jahre reduziert habe und seine Vorbringen teilweise erfolgreich gewesen seien, habe er die erstinstanzlichen Gerichts- und Anwaltskosten vollständig tragen müssen. Zudem habe ihm die Vorinstanz keine Parteientschädigung zugesprochen.
4.2 Der Beschwerdeführer beantragte weder im Rahmen seiner Berufungsbegründung noch während der vorinstanzlichen Hauptverhandlung im Falle des Obsiegens eine Änderung der erstinstanzlichen Kostenverteilung. Damit ist der kantonale Instanzenzug nicht erschöpft bzw. der Entscheid nicht letztinstanzlich im Sinne von Art. 80 Abs. 1 BGG. Darauf ist nicht einzutreten. Die Vorinstanz trug ihrerseits dem teilweisen Erfolg des Beschwerdeführers Rechnung und reduzierte die Gerichtsgebühr von Fr. 4'000.-- auf Fr. 3'500.-- (Urteil, S. 25). Er begründet nicht, weshalb sich eine zusätzliche Parteientschädigung rechtfertigen würde. Dies ist auch nicht ersichtlich.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Bei diesem Verfahrensausgang sind die bundesgerichtlichen Kosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Sein Gesuch um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos erschien. Seiner finanziellen Lage ist mit herabgesetzten 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 Luzern, 4. Abteilung, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 5. März 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Keller