Sachverhalt:
A. X._ und Y._ verbrachten den Abend vom 14. Mai 2010 im serbischen Vereinslokal "A._" in Suhr. Sie gerieten im Verlaufe der Zeit in einen Streit. Gemäss Anklage soll X._ Y._ einen Schlag auf den Kopf versetzt, sie um den Brustkorb gepackt und aus dem Lokal in den Vorraum gezerrt haben. Y._ habe die Anwesenden vergeblich aufgefordert, die Polizei zu benachrichtigen. Im Vorraum des Lokals soll X._ Y._ mehrmals mit der flachen Hand ins Gesicht geschlagen haben. Durch die Schläge habe Letztere eine Gehirnerschütterung erlitten. Sie habe sich benommen gefühlt, Kopfschmerzen gehabt und sich übergeben müssen. X._ habe Y._ daraufhin in die Waschküche gezogen und sie bei geschlossener Türe von ca. 23.00 Uhr bis ca. 02.10 Uhr (15. Mai 2010) gegen ihren Willen dort zurückbehalten. Y._ sei auf dem Boden gelegen. Er sei mit dem Finger in ihre Vagina eingedrungen, habe sie in die Brust gekniffen und auf den Mund, das Gesicht und im Halsbereich geküsst. Y._ habe ihn etwas abdrängen können. Er habe sie daraufhin aufgefordert, den Mund zu öffnen. Als sie sich geweigert habe, habe er sie erneut ins Gesicht geschlagen. Er habe sich breitbeinig über sie gestellt, ihren Kopf hochgehoben, ihr den Penis in den Mund gesteckt und ejakuliert. Danach habe er sein Glied zurückgezogen und ihr den Mund zugedrückt.
B. Das Obergericht des Kantons Aargau sprach X._ am 20. Oktober 2011 im Berufungsverfahren schuldig der einfachen Körperverletzung, der Nötigung, der Freiheitsberaubung und der sexuellen Nötigung. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren und kumulativ, als Zusatzstrafe zum Urteil des Bezirksamts Aarau vom 17. März 2010, zu einer Geldstrafe von 120 Tagessätzen à Fr. 30.--. Das Obergericht erklärte die Freiheitsstrafe im Umfang von 1 1⁄4 Jahren für vollziehbar. Im Übrigen schob es den Vollzug der Strafe bei einer Probezeit von drei Jahren auf. Für die Geldstrafe gewährte das Obergericht X._ den bedingten Strafvollzug.
C. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das obergerichtliche Urteil vom 20. Oktober 2011 aufzuheben und ihn freizusprechen. Eventualiter sei er zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 15 Monaten zu verurteilen. X._ verlangt zudem, es sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren.
Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz eine unrichtige, teilweise willkürliche und aktenwidrige Sachverhaltsfeststellung sowie eine Verletzung des rechtlichen Gehörs vor. Er verlangt einen Freispruch "in dubio pro reo".
1.1 Die Vorinstanz erachtet den Anklagesachverhalt als erstellt. Sie würdigt die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2, die Angaben des Beschwerdeführers, die Schilderungen der Zeugen, den Arztbericht (Notfallzentrum) von Dr. med. B._ vom 17. Mai 2010, den Bericht der Frauenklinik des Kantonsspitals Aarau vom 21. Mai 2010 sowie die Kurzbeurteilungen der Professoren Dr. med. C._ und em. Dr. med. D._ vom 25. August. 2011 resp. 4. Oktober 2011. Die Vorinstanz hält die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 für lebendig, konstant, in sich stimmig und nachvollziehbar. Sie würden zudem durch die Aussagen von Zeugen untermauert und stünden im Einklang mit den von ihr erlittenen Verletzungen und Beschwerden (Schwindel, Kopfweh, Übelkeit, Erbrechen). Dr. med. B._ diagnostizierte namentlich eine Gehirnerschütterung und Kontusionen am Kopf. Im Bericht der Frauenklinik wurde eine leichte Erosion der Oberlippe (1 1⁄2 cm ab dem Mundwinkel) festgehalten. Die Schilderungen des Beschwerdeführers überzeugen nach der Vorinstanz hingegen nicht. Er habe sämtliche Tatvorwürfe (Körperverletzung, Freiheitsberaubung und sexuelle Nötigung) und während langer Zeit selbst das sexuelle Verhältnis abgestritten, welches er mit der Beschwerdegegnerin 2 unterhalten habe (Urteil, S. 11-23).
1.2 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; vgl. auch Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von Art. 97 Abs. 1 BGG ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (BGE 136 II 304 E. 2.4 S. 313 f. mit Hinweis; vgl. zum Begriff der Willkür BGE 136 III 552 E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen).
Ebenfalls unter dem Gesichtspunkt der Willkür prüft das Bundesgericht, inwiefern das Sachgericht den Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel verletzt hat. Ob dieser Grundsatz als Beweislastregel verletzt ist, prüft es hingegen mit freier Kognition. Diese aus der Unschuldsvermutung (Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 2 EMRK) abgeleiteten Maximen wurden wiederholt dargelegt, worauf zu verweisen ist (BGE 127 I 38 E. 2a S. 40 f. mit Hinweisen).
Das rechtliche Gehör gemäss Art. 29 Abs. 2 BV dient einerseits der Sachaufklärung, andererseits stellt es ein persönlichkeitsbezogenes Mitwirkungsrecht beim Erlass eines Entscheids dar, welcher in die Rechtsstellung des Einzelnen eingreift. Es umfasst verschiedene Teilgehalte wie den Anspruch des Betroffenen auf Orientierung, Äusserung, Teilnahme am Beweisverfahren und Begründung (vgl. BGE 137 II 266 E. 3.2 S. 270; 136 I 229 E. 5.2 und E. 5.3 S. 236 f., 265 E. 3.2 S. 272; je mit Hinweisen).
1.3 Die Beweiswürdigung der Vorinstanz ist nicht willkürlich, und eine Verletzung der Unschuldsvermutung und des rechtlichen Gehörs ist nicht ersichtlich.
1.3.1 Die Vorinstanz befasst sich mit dem vom Beschwerdeführer eingereichten Privatgutachten des Kompetenzzentrums der Rechtspsychologie (IRP), Universität St. Gallen, vom 12. September 2011 zur Glaubhaftigkeit der Aussagen der Beschwerdegegnerin 2. Sie begründet nachvollziehbar, weshalb sie dieses zumindest teilweise nicht für schlüssig erachtet und darauf nicht abstellt (Urteil, S. 10, 18, 21, 22). Damit setzt sich der Beschwerdeführer nicht auseinander. Er begnügt sich damit, auf die ihm richtig scheinenden Erkenntnisse der Sachverständigen hinzuweisen und zu behaupten, diese hätten Zweifel an der Glaubhaftigkeit der beschwerdegegnerischen Aussagen wecken müssen (Beschwerde, S. 15, 16, 17 f., 23, 24). Seine Ausführungen sind nicht geeignet, Willkür darzutun, und genügen den Begründungsanforderungen gemäss Art. 106 Abs. 2 BGG nicht. Auf sein Vorbringen, die Vorinstanz lasse das Gutachten willkürlich ausser Acht und verletze seinen Anspruch auf rechtliches Gehör, ist nicht einzutreten.
1.3.2 Die Vorinstanz würdigt den Arztbericht von Dr. med. B._ vom 17. Mai 2010 (act. 63). Sie begründet nachvollziehbar, weshalb die Kurzbeurteilungen der Professoren Dr. med. C._ vom 25. August 2011 und em. Dr. med. D._ vom 4. Oktober 2011 den ärztlichen Bericht vom 17. Mai 2010 nicht in Frage stellen (Urteil, S. 17). Der Beschwerdeführer legt nur dar, wie die Kurzbeurteilungen vom 17. Mai 2011 und 4. Oktober 2011 aus seiner Sicht richtigerweise zu würdigen und welche Schlüsse daraus in Bezug auf den Arztbericht vom 17. Mai 2010 zu ziehen wären (Beschwerde, S. 15 f.). Seine Kritik ist appellatorisch.
1.3.3 Die Vorinstanz durfte gestützt auf die konstanten Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 annehmen, jene habe das Kerngeschehen in Bezug auf den Vorwurf der einfachen Körperverletzung im Wesentlichen stets gleich geschildert (Urteil, S. 12; kantonale Akten, act. 63 f., 154, 159, 167, 170, 173, 180). Von Aktenwidrigkeiten kann keine Rede sein. Dass keiner der im Restaurant Anwesenden konkret beobachtete, wie der Beschwerdeführer die Beschwerdegegnerin 2 auf den Kopf geschlagen hatte, musste die Vorinstanz nicht als Indiz gegen die Glaubwürdigkeit der Beschwerdegegnerin 2 bzw. die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen würdigen (Urteil, S. 13; so aber Beschwerde, S. 13), zumal diverse Zeugen die Angaben des Opfers zur Gewalteinwirkung des Beschwerdeführers insgesamt stützen (kantonale Akten, act. 204 und 334, der Beschwerdeführer und die Beschwerdegegnerin 2 hätten sich im Lokal geschlagen; act. 216, der Beschwerdeführer habe ihr einen Schlag auf die Schulter versetzt, so dass sie auf ihren Stuhl zurückgefallen sei; act. 210, der Beschwerdeführer habe die Beschwerdegegnerin 2 gepackt und gewaltsam aus dem Lokal gezogen; act. 185, es habe aggressiv ausgesehen, wie er sie von hinten gepackt und in den Gang geschleppt habe). Soweit einzelne Zeugen ihre Aussagen anlässlich der Hauptverhandlung vor erster Instanz relativierten (act. 335) oder davon Abstand nahmen (act. 333), durfte die Vorinstanz willkürfrei auf deren tatnähere Aussagen abstellen oder von Schutzbehauptungen zugunsten des Beschwerdeführers ausgehen (Urteil, S. 14; siehe aber Beschwerde, S. 14). Die körperlichen Beschwerden der Beschwerdegegnerin 2 (Schwindel, Übelkeit, Erbrechen) führt die Vorinstanz nachvollziehbar auf die erlittene Gewalteinwirkung (Schläge im Restaurant und im Vorraum) zurück. Die These des Beschwerdeführers, die Beschwerdegegnerin 2 habe einfach zu viel Alkohol getrunken, verwirft sie (Urteil, S. 15). Der Beschwerdeführer stellt diesen Erwägungen vor Bundesgericht einzig seine davon abweichende Auffassung gegenüber, was ungeeignet ist, Willkür aufzuzeigen (Beschwerde, S. 13, 16).
1.3.4 Auch betreffend die dem Beschwerdeführer zur Last gelegten sexuellen Übergriffe würdigt die Vorinstanz die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 umfassend (Urteil, S. 12, 19 ff.). Mit nachvollziehbaren Argumenten entkräftet sie die aufgezeigten angeblichen Widersprüche und Ungereimheiten in ihren Schilderungen (vgl. Urteil, S. 21 beispielsweise zum erzwungenen Oralverkehr mit Ejakulieren ins Gesicht oder in den Mund). Im Ergebnis erachtet sie die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 willkürfrei als in sich stimmig und im Ablauf konsistent. Soweit der Beschwerdeführer gegenteilige Schlussfolgerungen zieht und der Vorinstanz vorwirft, sie hätte im Lichte des Gutachtens des IRP vom 12. September 2011 an der Glaubhaftigkeit der Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 zweifeln müssen, stellt er seine Sicht der Dinge lediglich derjenigen der Vorinstanz gegenüber. Eine solche Kritik vermag keine Willkür zu begründen (Beschwerde, S. 26).
1.3.5 In Bezug auf den Vorwurf der Freiheitsberaubung stützt die Vorinstanz ihre Beweiswürdigung auf die Schilderungen der Beschwerdegegnerin 2, die ursprünglichen Aussagen von E._ und diejenigen des Beschwerdeführers, welcher anlässlich der Berufungsverhandlung entgegen seiner bisherigen Aussagen einräumte, den Schlüssel für die Waschküche bei der Zeugin geholt zu haben. Ohne Willkür geht die Vorinstanz davon aus, der Beschwerdeführer habe die Türe der Waschküche von innen abgeschlossen. Aus welchem Grund er den Schlüssel sonst benötigt hätte, wenn nicht zum Abschliessen des unverschlossenen Waschraums, sei nicht ersichtlich. Auf Ankündigung von E._ hin, die in der ersten Viertelstunde drei bis viermal nachschauen gegangen sei, habe er die Türe des Waschraums vorübergehend geöffnet, diese im Übrigen aber verschlossen gehalten (Urteil, S. 17-19). Die vorinstanzlichen Schlüsse ergeben sich ohne Willkür aus den genannten Beweismitteln. Was der Beschwerdeführer dagegen vorbringt, vermag keine Verfassungsverletzung darzutun (Beschwerde, S. 22). Anhaltspunkte dafür, dass die Beschwerdegegnerin 2 immer wieder die Möglichkeit gehabt habe, die Waschküche zu verlassen, bestehen nicht. Aktenwidrig sind die Behauptungen, die Beschwerdegegnerin 2 habe E._ in diesem Zusammenhang nicht konkret um Hilfe gebeten (vgl. act. 160, 168, 187) und nie den Wunsch geäussert, diesen Raum zu verlassen (vgl. act. 168, "Ich bat X._, mich gehen zu lassen").
2. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung. Er hält eine bedingte Freiheitsstrafe von 15 Monaten zu Unrecht für schuldangemessen (Beschwerde, S. 27). Es kann auf die Ausführungen im angefochtenen Urteil (S. 25-29) verwiesen werden.
2.1 Soweit der Beschwerdeführer seiner rechtlichen Argumentation eine von der willkürfreien und damit verbindlichen Sachverhaltsfeststellung (Urteil, S. 28) abweichende Tatsachenbehauptung zugrunde legt (beispielsweise Beschwerde, S. 27, wonach ihn die Beschwerdegegnerin 2 provoziert, gebissen und geschlagen habe), ist auf seine Kritik nicht einzutreten.
2.2 Die Vorinstanz erachtet unter Einbezug aller straferhöhenden und strafmindernden Umständen eine Einsatzstrafe von zwei Jahren für die Nötigung zur Duldung des Oralverkehrs als angemessen (Urteil, S. 27 f.). Sie orientiert sich hierfür in Anwendung der bundesgerichtlichen Rechtsprechung (BGE 132 IV 120 E. 2.5) am Strafrahmen, welchen das Gesetz für die Vergewaltigung festlegt, weil das Eindringen mit dem Penis in den Mund des Opfers in seiner sexuellen Intensität dem erzwungenen Beischlaf ähnlich und die Nötigung zur Duldung eines derartigen Oralverkehrs in ihrem Unrechtsgehalt mit einer Vergewaltigung vergleichbar sei. Eine Verletzung von Bundesrecht liegt nicht vor (Beschwerde, S. 27).
2.3 Dass der Beschwerdeführer bis zum Schluss sämtliche Vorwürfe hartnäckig bestritt, durfte die Vorinstanz als Zeichen fehlender Reue und Einsicht straferhöhend in Rechnung stellen (Urteil, S. 28; BGE 113 IV 56 E. 4c, Urteil 6B_858/2008 vom 20. Mai 2009 E. 4c). Sie berücksichtigt zu seinen Gunsten, dass er nach anfänglichem Leugnen anlässlich der Konfrontationseinvernahme das sexuelle Verhältnis mit der Beschwerdegegnerin eingestand. Die Kritik des Beschwerdeführers geht an der Sache vorbei (Beschwerde, S. 27).
2.4 Die Vorinstanz hat die für die Strafzumessung massgeblichen Gesichtspunkte ohne Bundesrechtsverletzung gewürdigt. Sie trägt der Tat- und Täterkomponente ausreichend Rechnung. Die (Gesamt-)Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren hält sich auch bei einer Gesamtbetrachtung innerhalb des weiten sachrichterlichen Ermessens und ist nicht zu beanstanden.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist ebenfalls abzuweisen, da die Beschwerde aussichtslos war (Art. 64 Abs. 1 BGG). Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Seine angespannte finanzielle Situation ist bei der Bemessung der Gerichtskosten angemessen zu berücksichtigen.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf eingetreten wird.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung 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, 29. Mai 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Arquint Hill