Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Bern verurteilte X._ am 11. März 2009 zweitinstanzlich wegen Vergewaltigung, sexueller Handlungen mit Kindern, teilweise wegen sexueller Nötigung sowie einfacher Körperverletzung zum Nachteil seiner Stieftochter zu einer teilbedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten. Für 24 Monate gewährte es ihm den bedingten Strafvollzug.
B. Gegen dieses Urteil erhebt X._ mit Eingabe vom 4. Mai 2009 Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das Urteil des Obergerichts des Kantons Bern vom 11. März 2009 sei aufzuheben. Er sei vollumfänglich freizusprechen. Eventuell sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Die Verfahrenskosten seien dem Staat aufzuerlegen. Es sei ihm eine angemessene Entschädigung zuzusprechen.
C. Das Bundesgericht sistierte das Verfahren, nachdem X._ am 7. Mai 2009 beim Kassationshof des Obergerichts ein Revisionsgesuch eingereicht hatte. Der Kassationshof des Obergerichts des Kantons Bern wies das Begehren um Revision am 22. Dezember 2010 bzw. das Bundesgericht die dagegen erhobene Beschwerde am 10. Mai 2011 (vgl. Urteil 6B_63/2011 vom 10. Mai 2011) ab.
D. Das Obergericht des Kantons und die Staatsanwaltschaft des Kantons Bern verzichteten auf eine Vernehmlassung. Y._ stellte am 30. März 2011 ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. Sie beantragte am 20. April 2011, die Beschwerde sei abzuweisen, soweit darauf einzutreten sei. Die Verfahrenskosten seien X._ aufzuerlegen. Er sei zu verpflichten, ihr die Parteikosten gemäss beigelegter Honorarnote, d.h. Fr. 1'895.95, zu bezahlen.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer zwang nach den vorinstanzlichen Erwägungen seine Stieftochter, geb. 7. November 1986, ab ca. 1999/2000 zu sexuellen Handlungen. Sie musste ihn mehrfach manuell und einmal oral befriedigen. Er berührte sie über oder unter den Kleidern an den Brüsten und im Vaginalbereich. Dabei drang er regelmässig mit dem Finger in ihre Scheide ein. Er versuchte auch, sie mit der Zunge an der Vagina zu berühren. Als sie in der achten Klasse war, vollzog er mit ihr einmal den Geschlechtsverkehr. Infolge ihrer Gegenwehr liess er von ihr ab. Praktisch immer, wenn sie mit ihm alleine war, kam es zu sexuellen Übergriffen, z.B. zu Hause in B._, auf den Fahrten ins Welschland oder bei Lernfahrten. Er setzte sie unter Druck, um die sexuellen Handlungen gegen ihren Willen durchzusetzen. Namentlich drohte er ihr mit Hausarrest oder Selbstmord, gab ihr Geld oder versprach ihr mehr Freiheiten. Zudem redete er ihr ein, wenn sie zur Polizei oder sonst jemandem gehe, glaube ihr niemand. Unter dem Eindruck dieser Drohungen und dem psychischen Druck liess sie die sexuellen Handlungen widerwillig geschehen. Weigerte sie sich, so wendete der Beschwerdeführer Gewalt an. Er setzte sich auf ihre Arme und Beine, damit sie sich nicht wehren konnte. Die letzten sexuellen Handlungen fanden ungefähr im November 2004 statt, bevor das Opfer von zu Hause wegzog (angefochtenes Urteil S. 19 ff.).
2. Soweit der Beschwerdeführer einen vollumfänglichen Freispruch verlangt und sich gegen die Verurteilung wegen einfacher Körperverletzung, wegen sexueller Handlungen mit Kindern und sexueller Nötigung wendet, begründet er seine Beschwerde nicht näher. Darauf ist nicht einzutreten.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer rügt eine willkürliche Beweiswürdigung und eine Verletzung des Grundsatzes in dubio pro reo.
3.1.1 Es treffe nicht zu, dass seine Stieftochter das Kerngeschehen der Vergewaltigung konstant und differenziert geschildert habe. Bei der Untersuchungsrichterin habe sie ausgesagt, der Vorfall sei auf dem Bett passiert. Er habe sie ausgezogen und sei selber nackt gewesen. Vor Gericht habe sie ausgeführt, er habe sie auf dem Sofa vergewaltigt, habe einen Slip getragen und sie gezwungen, sich auszuziehen. Widersprüchliche Angaben mache sie auch zum Zeitpunkt des Vorfalles.
3.1.2 Bei der Wahrheitsfindung zu berücksichtigen seien auch die Umstände der Aussage. Die Vergewaltigung als schwersten Vorfall habe das Opfer erst in der zweiten polizeilichen Befragung erwähnt, welche rund fünfeinhalb Monate nach der ersten erfolgt sei. Auffallend sei die zeitliche und inhaltliche Übereinstimmung mit den Aussagen seiner früheren Ehefrau. Diese habe am selben Tag wie das Opfer und mit fast denselben Worten erstmals von der Vergewaltigung berichtet, obschon sie bereits einmal befragt worden sei. Es sei von einer Absprache auszugehen. Grund für die Anzeige des Opfers sei nach dessen eigenen Angaben gewesen, dass er seine frühere Ehefrau schlecht behandelt habe. Zwischen dem Strafverfahren und dem familienrechtlichen Streit bestehe ein zeitlicher Zusammenhang. Es sei willkürlich, wenn die Vorinstanz Rache als Motiv für die belastenden Aussagen ausschliesse.
3.1.3 Ebenso sei aus den Aussagen Dritter zu schliessen, dass keine Vergewaltigung stattgefunden habe. So gehe aus dem Bericht des Therapeuten, Dr. med. A._, hervor, dass das Opfer ihm gegenüber zwar von einem sexuellen Missbrauch in Form von Berührungen, nicht aber von "eigentlichen sexuellen Handlungen" berichtet habe. Das Opfer habe somit Geschlechtsverkehr offenbar verneint. Nicht glaubhaft sei, dass das Opfer es versehentlich versäumt habe, dem Therapeuten von der Vergewaltigung zu berichten. Immerhin habe dieser in fünf Sitzungen den sexuellen Missbrauch aufgearbeitet.
Auch gegenüber weiteren Zeugen habe sich die Stieftochter früher bloss wegen seiner Kontrollen, Belästigungen, teilweise wegen Berührungen und voyeuristischen Verhaltens beklagt, aber nie wegen einer angeblichen Vergewaltigung. Davon habe sie erst viel später bei der Polizei erzählt. Insgesamt seien die Aussagen der Stieftochter und der früheren Ehefrau nicht glaubhaft.
3.2 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie willkürlich (Art. 9 BV) 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; BGE 134 IV 36 E. 1.4.1 S. 39 mit Hinweis). Willkür in der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht. Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht einzutreten ist (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 136 I 49 E. 1.4.1 S. 53 mit Hinweisen). Dem Grundsatz in dubio pro reo kommt in seiner Funktion als Beweiswürdigungsregel im Verfahren vor dem Bundesgericht keine über das Willkürverbot von Art. 9 BV hinausgehende selbständige Bedeutung zu (BGE 127 I 38 E. 2a S. 40 f. mit Hinweisen).
3.2 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie willkürlich (Art. 9 BV) 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; BGE 134 IV 36 E. 1.4.1 S. 39 mit Hinweis). Willkür in der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht. Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht einzutreten ist (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 136 I 49 E. 1.4.1 S. 53 mit Hinweisen). Dem Grundsatz in dubio pro reo kommt in seiner Funktion als Beweiswürdigungsregel im Verfahren vor dem Bundesgericht keine über das Willkürverbot von Art. 9 BV hinausgehende selbständige Bedeutung zu (BGE 127 I 38 E. 2a S. 40 f. mit Hinweisen).
3.3 3.3.1 Die Vorinstanz setzt sich eingehend mit Argumenten auseinander, welche der Beschwerdeführer vor Bundesgericht erneut vorträgt, wie etwa mit dem Zustandekommen der Erstaussage hinsichtlich der Vergewaltigung (angefochtenes Urteil S. 12 f.), mit der behaupteten Absprache zwischen dem Opfer und der früheren Ehegattin des Beschwerdeführers (angefochtenes Urteil S. 13), dem Bericht von Dr. A._ (angefochtenes Urteil S. 13 f.), dem Grund für die Anzeige (angefochtenes Urteil S. 17 zur Frage, ob sich das Opfer rächen wolle) sowie den Äusserungen des Opfers gegenüber Drittpersonen zum sexuellen Missbrauch (angefochtenes Urteil S. 16). Soweit der Beschwerdeführer nicht auf das vorinstanzliche Urteil eingeht, sondern diesem lediglich seine eigene Würdigung der Beweise entgegensetzt, ist auf seine Beschwerde nicht einzutreten.
3.3.2 In ihrer Beweiswürdigung berücksichtigt die Vorinstanz den bereits bei der ersten polizeilichen Einvernahme andeutungsweise zur Sprache gebrachten Geschlechtsakt (der Beschwerdeführer habe es ein bis zweimal mit dem "Schnäbi" "probiert"), die Vielzahl, die lange Dauer und die hohe Intensität der Übergriffe sowie den persönlichen Eindruck vom Opfer. Dieses habe anlässlich der zweiten polizeilichen Befragung in spontaner Ergänzung seiner früheren Aussage erklärt, der Beschwerdeführer sei einmal mit dem Penis in seine Vagina eingedrungen. Die Vorinstanz hält die Angaben des Opfers unter Berücksichtigung der weiteren Zeugenaussagen und des Umstandes, dass das Opfer hinsichtlich der sexuellen Handlungen den Beschwerdeführer nicht übermässig belastete, für glaubhaft. Die Übereinstimmung zwischen den Aussagen des Opfers und der früheren Ehefrau des Beschwerdeführers erklärt sie in nachvollziehbarer Weise damit, dass Letztere keine eigenen Wahrnehmungen zum sexuellen Missbrauch gemacht hat und ihr Wissen nur aus den Erzählungen des Opfers schöpft. Daher kann der Beschwerdeführer aus dem Umstand, dass seine frühere Ehegattin zum selben Zeitpunkt und mit denselben Worten wie das Opfer von einer Vergewaltigung berichtete, nichts zu seinen Gunsten ableiten. Verständlich ist nach Auffassung der Vorinstanz schliesslich das lange Zuwarten mit einer Anzeige. Das Opfer versuchte erfolglos, sich seiner Mutter während deren Ehe anzuvertrauen. Diese schenkte ihr keinen Glauben. Als die Beziehung zwischen ihrer Mutter und dem Beschwerdeführer endgültig und im Streit auseinanderging, wagte das Opfer den Schritt zur Polizei.
3.4 Zwar trifft es zu, dass das Opfer den Geschlechtsakt an sich nicht allzu detailreich schildert. Die Aussagen des Opfers sind nicht in allen Teilen deckungsgleich, z.B. zur Frage, wo die Vergewaltigung stattfand (auf dem Sofa oder dem Bett), wer es auszog und welche Kleidung der Beschwerdeführer trug (ganz nackt bzw. Slip). Gewisse Umstände werden jedoch stets übereinstimmend geschildert, z.B. dass der Beschwerdeführer in der Familienwohnung einmal vaginal in das nackte Opfer eindrang, als es in der achten Klasse war. Schliesslich nannte das Opfer einige Einzelheiten (den Geruch im Zimmer und das ausgiebige Duschen nach dem Geschlechtsverkehr; act. 18) bloss in einer Aussage. Indessen sind exakte Details angesichts des regelmässigen erheblichen Missbrauchs und des verstrichenen Zeitraums von mehreren Jahren seit der Tat (Handlung ungefähr in den Jahren 2000/2001 bzw. in der achten Klasse, Erstaussage am 1. März 2007) nicht zu erwarten. Das Opfer räumt selbst ein, dass ihm gewisse Erinnerungen hinsichtlich der Vergewaltigung fehlen, z.B. zur Frage, ob der Beschwerdeführer einen Samenerguss hatte (vgl. act. 244 f. und act. 246). Die Aussagen des Opfers zur Vergewaltigung, zu den weiteren sexuellen Handlungen und zur Körperverletzung bilden ein in sich stimmiges Gefüge. Eingebettet im gesamten Zusammenhang durfte die Vorinstanz diese als glaubhaft werten. Insbesondere existieren für gewisse sexuelle Handlungen sowie für die Körperverletzung Tatzeugen, obschon der Beschwerdeführer alle strafbaren Handlungen von sich weist. Die Grossmutter des Opfers konnte beobachten, wie der Beschwerdeführer das Opfer nach dem Duschen über dem Badetuch an den Brüsten anfasste und mehrfach versuchte, ihm gegen dessen Willen Zungenküsse zu geben. Ausserdem gab die frühere Ehefrau des Beschwerdeführers zu Protokoll, dieser habe das Opfer gewürgt, als es in einer Silvesternacht spät nach Hause gekommen sei. Die Grossmutter konnte die anschliessenden Atembeschwerden des Opfers bezeugen (angefochtenes Urteil S. 10 mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil S. 32 bis S. 40). Weitere Zeugen bestätigten, dass ihnen das Opfer oder die frühere Ehefrau des Beschwerdeführers lange Zeit vor der Anzeige den sexuellen Missbrauch bzw. Andeutungen dazu offenbarten. Diese ganzen Umstände sprechen, zusammen mit dem pauschalen Abstreiten des Beschwerdeführers jeglicher strafbarer Handlungen, für die Glaubhaftigkeit der Aussagen des Opfers hinsichtlich der Vergewaltigung. Zudem belastet das Opfer den Beschwerdeführer nicht übermässig, obwohl es ihm ein Leichtes gewesen wäre, hinsichtlich der Intensität und der Anzahl Vergewaltigungen zu übertreiben. Auch wenn das Opfer den Geschlechtsakt erst in der zweiten polizeilichen Befragung im Detail beschrieben hat, spricht dies nicht gegen den Wahrheitsgehalt der Aussage. Immerhin erwähnte es von Anfang an, der Beschwerdeführer habe "es mit dem Schnäbi probiert". Dass die Untersuchungsbehörden dem Hinweis in der ersten Befragung nicht nachgegangen sind, ist nicht dem Opfer anzulasten. Nichts zu seinen Gunsten abzuleiten vermag der Beschwerdeführer aus dem Bericht des behandelnden Psychiaters. Es ist nicht auszuschliessen, dass sich das Opfer diesem nicht vollständig anvertraut hatte. Wie die Vorinstanz zutreffend ausführt, ist der Bericht sehr knapp gehalten und lässt offen, was unter "eigentlichen sexuellen Handlungen" zu verstehen ist. Eine Befragung des Psychiaters drängte sich vor Vorinstanz nicht auf, nachdem dieser nichts aus eigener Wahrnehmung zu den Vorfällen berichten kann und sich aus den erhobenen Beweisen ein schlüssiges Bild ergibt. In ihrer Gesamtheit lassen die vorliegenden Beweise keinen Raum für eine den Beschwerdeführer entlastende Deutung der Vorkommnisse. Die Vorinstanz durfte ohne Willkür zum Schluss gelangen, es bestehe kein erheblicher Zweifel daran, dass der Beschwerdeführer einmal mit dem Penis in das Opfer eingedrungen sei.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Das Gesuch der Beschwerdegegnerin um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird infolge Obsiegens gegenstandslos (Art. 64 Abs. 1 und Abs. 2 BGG). Der Beschwerdeführer hat der Rechtsvertreterin der Beschwerdegegnerin eine angemessene Parteientschädigung zu bezahlen (Art. 68 Abs. 1 und Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Der Beschwerdeführer hat die Rechtsvertreterin der Beschwerdegegnerin, Rechtsanwältin Sabine Schmutz, Bern, mit Fr. 1'895.95 zu entschädigen.
4. Das Gesuch der Beschwerdegegnerin um unentgeltliche Rechtspflege wird als gegenstandslos abgeschrieben.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Bern, 3. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. Mai 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Mathys Koch