Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 20. März 2012 im Berufungsverfahren wegen Schändung schuldig und bestrafte ihn mit einer unbedingt vollziehbaren Freiheitsstrafe von 8 Monaten. Es verpflichtete X._ zudem zur Bezahlung von Fr. 2'000.-- Genugtuung an A._. Deren Schadenersatzforderung hiess es dem Grundsatz nach gut und verwies sie bezüglich der Höhe auf den Zivilweg. Die Kosten der Untersuchung auferlegte es X._. Die Kosten des erstinstanzlichen Verfahrens nahm es zu 1/5 auf die Gerichtskasse. Den Rest auferlegte es dem Verurteilten.
Dem Urteil liegt folgender Sachverhalt zugrunde:
A._ begab sich am Abend des 7. März 2010 zwecks Drogenerwerbs zu X._ in dessen Wohnung in Z._. Dort anwesend waren auch B._, C._ und D._. A._ konsumierte Alkohol, Kokain, Marihuana und GBL ("KO-Tropfen"). Ihr wurde schlecht, weshalb sie das Badezimmer aufsuchte. X._ folgte ihr dorthin. Aufgrund ihrer Übelkeit und ihrer starken Benommenheit hatte sich A._ im Badezimmer hingelegt. X._ beugte sich zu ihr herunter, küsste sie auf Wange und Hals, zog ihr die Hosen hinunter, griff ihr an Gesäss und Oberschenkel und befriedigte sich bis zum Samenerguss.
B. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt im Wesentlichen, es sei das obergerichtliche Urteil vom 20. März 2012 aufzuheben, und er sei vom Vorwurf der Schändung freizusprechen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer beanstandet die Abweisung seiner Anträge auf nochmalige Befragung von B._ und D._. Diese am Tatabend anwesenden Personen seien lediglich als Beschuldigte einvernommen worden. Sie hätten nach Abschluss ihrer Strafverfahren als Zeugen befragt werden können. Der Beschwerdeführer beruft sich auf Art. 389 StPO (Beschwerde, S. 18 f.).
1.1 Die Vorinstanz führt aus, die am Verfahren Beteiligten seien unter Beachtung sämtlicher Beweisvorschriften im Rahmen der Untersuchung mehrmals und - abgesehen von B._ - auch an der Hauptverhandlung vor erster Instanz erneut befragt worden (Entscheid, S. 24). Sie seien mit Ausnahme des als Zeugen befragten C._ als Beschuldigte einvernommen worden (Entscheid, S. 14). Sie hätten sich dabei zum Zustand der Beschwerdegegnerin 2 und zu den von ihnen wahrgenommenen Stöhnlauten geäussert (Entscheid, S. 25). Es sei nicht ersichtlich, weshalb sie erneut (zu diesen Themen) zu befragen seien. Das Unmittelbarkeitsprinzip gelte im Rechtsmittelverfahren gemäss Art. 389 StPO entgegen der Verteidigung nicht (Entscheid, S. 23).
1.2 Die Auffassung der Vorinstanz ist nicht zu beanstanden. Nach Art. 389 Abs. 1 StPO beruht das Rechtsmittelverfahren auf den Beweisen, die im Vorverfahren und im erstinstanzlichen Hauptverfahren erhoben wurden. Die Beweisabnahmen des erstinstanzlichen Gerichts werden nach Art. 389 Abs. 2 StPO nur wiederholt, wenn die Beweisvorschriften verletzt worden sind (lit. a), die Beweiserhebungen unvollständig waren (lit. b) und die Akten über die Beweiserhebungen unzuverlässig erscheinen (lit. c). Dass und inwiefern die Befragungen von B._ und D._ im Sinne von Art. 389 StPO mangelhaft oder unvollständig sein könnten und deshalb zu wiederholen gewesen wären, ist nicht erkennbar. Die beiden Personen wurden zu den massgeblichen Themen ausreichend befragt. Da auch gegen sie ein Strafverfahren lief, wurden sie - entsprechend der früheren prozessrechtlichen Terminologie - korrekt als "(Mit-)Beschuldigte" unter Wahrung der Verteidigungsrechte des Beschwerdeführers befragt. Sie nach Abschluss ihrer Verfahren nochmals zu befragen, war daher nicht notwendig (vgl. Niklaus Schmid, Handbuch des Schweizerischen Strafprozessrechts, Zürich 2009, S. 391, N. 916, siehe auch Fn 303; derselbe, Strafprozessrecht, 4. Aufl., Zürich 2004, S. 227, N. 659 f., Fn 205). Da überdies auch keine Anhaltspunkte dafür bestehen, dass die Befragten den Beschwerdeführer (wahrheitswidrig) zu belasten versuchten, um sich selber in ein besseres Licht zu rücken, hatte die Vorinstanz keinen Anlass, die Beweisabnahmen im Sinne von Art. 389 Abs. 2 StPO als Zeugenbefragungen zu wiederholen.
2. Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz unter Berufung auf Art. 10 StPO eine willkürliche Beweiswürdigung und Sachverhaltsfeststellung sowie eine Verletzung des Grundsatzes "in dubio pro reo" vor.
2.1 Nach Art. 10 Abs. 2 StPO würdigt das Gericht die Beweise frei nach seiner aus dem gesamten Verfahren gewonnenen Überzeugung. Im Berufungsverfahren berücksichtigt es die im Vorverfahren und im Hauptverfahren erhobenen Beweise (Art. 389 Abs. 1 StPO). Dabei kann die aus der Beweiswürdigung gewonnene vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung 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). Willkür liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht (BGE 136 III 552 E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen). Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (BGE 134 I 140 E. 5.4 S. 148 mit Hinweisen).
Ebenfalls nur unter dem Gesichtspunkt der Willkür prüft das Bundesgericht, inwiefern das Sachgericht den Grundsatz "in dubio pro reo" (Art. 10 Abs. 3 StPO) als Beweiswürdigungsregel verletzt hat. Ob dieser Grundsatz als Beweislastregel verletzt ist, prüft es mit freier Kognition. Diese aus der Unschuldsvermutung (Art. 10 Abs. 1 StPO, 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).
2.2 Die Vorinstanz erachtet als erstellt, dass der Beschwerdeführer die im Badezimmer auf dem Boden liegende Beschwerdegegnerin 2 auf Wange und Hals küsste, ihr die Hosen hinunterzog und an Gesäss und Oberschenkel griff, sie dort streichelte und sich selber bis zum Samenerguss befriedigte, wobei Spermaflüssigkeit auf die Unterhosen der Beschwerdegegnerin 2 gelangte. Die Vorinstanz stellt für die Vorgänge im Badezimmer zur Hauptsache auf die Aussagen des Beschwerdeführers ab. Die Spermaspuren auf dem Slip der Beschwerdegegnerin 2 konnten zweifelsfrei ihm zugeordnet werden (kantonale Akten, act. 12/3; Gutachten der Universität Zürich, Institut für Rechtsmedizin, vom 27. Mai 2010).
Die Vorinstanz hält weiter für erwiesen, dass sich die Beschwerdegegnerin 2 aufgrund des Alkohol- und Betäubungsmittelkonsums und der starken Übelkeit nicht auf den Beinen halten konnte, sie benommen und nicht ansprechbar war, nur "lallen" oder "Stöhnlaute" von sich geben konnte und immer wieder eindöste (Entscheid, S. 25, 27). Die Feststellungen betreffend den Zustand der Beschwerdegegnerin 2 stützt die Vorinstanz vornehmlich auf die Aussagen von B._ und C._, welche am Tatabend in der Wohnung anwesend waren (Entscheid, S. 17, 21). Diese hätten die Beschwerdegegnerin 2 übereinstimmend als stark benommen beschrieben. Die von B._ wahrgenommenen Stöhnlaute der Beschwerdegegnerin 2 erachtet die Vorinstanz nicht zwingend als Ausdruck eines aktiven und einvernehmlichen (sexuellen) Verhaltens. Diese liessen sich eben so gut auf den schlechten Zustand der Beschwerdegegnerin 2 zurückführen (Entscheid, S. 23).
Dem Beschwerdeführer ist gemäss den Erwägungen der Vorinstanz der Zustand der Beschwerdegegnerin 2 und deren Wehrlosigkeit nicht entgangen. Dass sie sich nicht mehr auf den Beinen halten konnte, habe sich ihm offenbart, als er versuchte, sie aufzurichten. Zudem habe er verschiedentlich selber eingeräumt, die Beschwerdegegnerin 2 sei im Badezimmer nicht im Stande gewesen, Worte auszusprechen. Sie habe nur gelallt bzw. Stöhnlaute ("aaah") von sich gegeben (Entscheid, S. 22, 28 f.).
2.3 Der Beschwerdeführer rügt die vorinstanzliche Beweiswürdigung als willkürlich. Es bestünden unüberwindbare Zweifel daran, dass die Beschwerdegegnerin 2 im Tatzeitpunkt nicht ansprechbar und willensunfähig gewesen sei. Es sei aufgrund aller Umstände von einvernehmlichen sexuellen Handlungen auszugehen (Beschwerde, S. 10 ff.). Bei seiner Kritik gibt der Beschwerdeführer auszugsweise seine eigenen Aussagen (Beschwerde, S. 14) und diejenigen der Beschwerdegegnerin 2 (Beschwerde, S. 11 ff.) sowie der übrigen in der Wohnung Anwesenden (B._, D._, C._; Beschwerde, S. 14 ff.) wieder. Er legt dar, wie die Beweise für sich alleine und im Verbund untereinander richtigerweise zu würdigen wären (Beschwerde, S. 14, 17, 18). Mit seinen Einwänden widerlegt er die von ihm angefochtenen Feststellungen der Vorinstanz, soweit er sich damit überhaupt substanziell befasst, nicht als schlechterdings unhaltbar. Er legt nur seine Sicht der Dinge dar.
2.3.1 Das gilt namentlich, soweit der Beschwerdeführer die Glaubwürdigkeit der Beschwerdegegnerin 2 und die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen mit Hinweisen auf ihr angeblich freizügiges Sexualverhalten zu untergraben versucht (Beschwerde, S. 13 und 18). Spekulativ ist seine Kritik, bei ihrem Aussageverhalten dürfte es sich um eine Strategie handeln (Beschwerde, S. 18). Die Beschwerdegegnerin 2 gab im Wesentlichen an, sich nicht an die Vorfälle im Badezimmer erinnern zu können. Sie habe im Badezimmer geschlafen oder sei bewusstlos gewesen (Entscheid, 17, 23). Die Vorinstanz würdigt ihre Aussagen willkürfrei als glaubhaft. Eine von der Beschwerdegegnerin 2 an B._ verfasste SMS am Folgetag, worin sie fragt, was sie mit ihr gemacht hätten und ob sie noch Jungfrau sei, untermauert das vorinstanzliche Beweisergebnis (Entscheid, S. 17).
2.3.2 Rein appellatorisch ist das Vorbringen des Beschwerdeführers, die Stöhnlaute der Beschwerdegegnerin 2 seien Ausdruck eines aktiven einvernehmlichen sexuellen Verhaltens gewesen und von den Anwesenden auch so wahrgenommen worden (Beschwerde, S. 18). Inwiefern sich die Aktenlage nur im Sinne des Beschwerdeführers würdigen liesse, ist nicht ersichtlich. B._ und C._ haben die Beschwerdegegnerin 2 nach den willkürfreien Feststellungen der Vorinstanz als "total weggetreten", "völlig benebelt" und "nicht bei Sinnen" umschrieben. Sie habe nicht mehr richtig sprechen können, sondern nur "gelallt" oder "gebrabelt" (Entscheid, S. 23). Ihre übereinstimmenden Aussagen zur Benommenheit der Beschwerdegegnerin 2 decken sich mit den Aussagen des Opfers. Die Vorinstanz durfte die Stöhnlaute ohne Willkür auf ihren schlechten Zustand zurückführen.
2.3.3 Der Einwand des Beschwerdeführers, er habe die Widerstandsunfähigkeit der Beschwerdegegnerin 2 nicht erkannt (Beschwerde, S. 20), erschöpft sich in blossen Behauptungen. Er war in seiner eigenen Wahrnehmungsfähigkeit unbestrittenermassen nicht beeinträchtigt, als er die Beschwerdegegnerin 2 im Badezimmer stark benommen auf dem Boden liegend antraf. Anlässlich seiner Einvernahmen gab er verschiedentlich an, die Beschwerdegegnerin habe nicht sprechen und seine Fragen (ob es ihr gut gehe) nicht beantworten können (Entscheid, S. 21 f). Die Vorinstanz durfte aus diesen Gründen ohne Willkür darauf schliessen, der Beschwerdeführer habe den Zustand der Beschwerdegegnerin 2 und deren Wehrlosigkeit wahrgenommen. Inwiefern dieser Schluss "konstruiert" sein soll, ist nicht ersichtlich.
2.4 Die vorinstanzliche Beweiswürdigung hält vor der Verfassung stand. Der Beschwerdeführer bringt nichts vor, was das Beweisergebnis in Frage stellen könnte. Die Vorinstanz durfte erhebliche Zweifel an seiner Schuld verneinen. Der Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel ist nicht verletzt.
3. Der Beschwerdeführer macht geltend, den Tatbestand der Schändung gemäss Art. 191 StGB weder objektiv noch subjektiv erfüllt zu haben. Die Beschwerdegegnerin 2 sei nicht widerstandsunfähig gewesen. Sie habe in die sexuellen Handlungen eingewilligt und ihn durch ihr Verhalten dazu animiert. Als er bemerkt habe, dass sie nicht mehr "bei der Sache" sei, habe er sofort von ihr abgelassen. Von Missbrauch könne daher nicht die Rede sein (Beschwerde, S. 19, 20). Abgesehen davon sei fraglich, ob überhaupt von sexuellen Handlungen gesprochen werden könne, sei es doch nicht zu einer Berührung der primären Geschlechtsorgane gekommen (Beschwerde, S. 20).
3.1 Eine Schändung gemäss Art. 191 StGB begeht, wer eine urteilsunfähige oder eine zum Widerstand unfähige Person in Kenntnis ihres Zustands zum Beischlaf, zu einer beischlafsähnlichen oder einer anderen sexuellen Handlung missbraucht.
Widerstandsunfähig im Sinne von Art. 191 StGB ist, wer nicht imstande ist, sich gegen ungewollte sexuelle Kontakte zu wehren. Die Bestimmung schützt somit Personen, die einen zur Abwehr ausreichenden Willen zum Widerstand gegen sexuelle Übergriffe nicht oder nicht sinnvoll bilden, äussern oder betätigen können. Dabei genügt, dass das Opfer vorübergehend zum Widerstand unfähig ist. Die Gründe für die Widerstandsunfähigkeit können dauernder oder vorübergehender, chronischer oder situationsbedingter Natur sein. Erforderlich ist, dass die Widerstandsfähigkeit gänzlich aufgehoben ist. Bei blosser - z.B. alkoholbedingter - Herabsetzung der Hemmschwelle ist keine Widerstandsunfähigkeit gegeben (BGE 133 IV 49 E. 7.2; 119 IV 230 E. 3a).
Subjektiv erfordert der Tatbestand der Schändung Vorsatz, wobei Eventualvorsatz genügt. Eventualvorsätzlich handelt, wer zumindest ernsthaft für möglich hält, dass das Opfer aufgrund seines physischen oder psychischen Zustandes nicht in der Lage ist, sich gegen das sexuelle Ansinnen zur Wehr zu setzen, und es trotzdem zu sexuellen Handlungen bestimmt (Urteil 6S.359/2002 vom 7. August 2003 E. 5.2 mit Hinweisen).
3.2 Nach den willkürfreien Feststellungen der Vorinstanz küsste der Beschwerdeführer die im Badezimmer auf dem Boden liegende Beschwerdegegnerin 2 auf Wange und Hals, zog ihr die Hosen hinunter, griff ihr an Gesäss und Oberschenkel, streichelte sie dort und masturbierte bis zum Samenerguss. Bei der Ejakulation gelangte Sperma auf die Unterhosen der Beschwerdegegnerin 2. Die Handlungen des Beschwerdeführers sind als Ganzes und nicht isoliert zu betrachten. Ihre Sexualbezogenheit ist offensichtlich. Gemäss seinen eigenen Aussagen ging er ins Badezimmer, um mit der Beschwerdegegnerin 2 "rumzumachen", und gab an, erregt ("spitz") gewesen zu sein (Entscheid, S. 28). Die Vorinstanz geht unter diesen Umständen zu Recht von einer sexuellen Handlung im Sinne von Art. 191 StGB aus. Dass der Beschwerdeführer weder die primären Geschlechtsorgane der Beschwerdegegnerin 2 berührte noch sein Glied in Kontakt mit dem Körper des Opfers brachte, ist nicht massgeblich.
3.3 Die Vorinstanz durfte ohne Bundesrechtsverletzung von der Widerstandsunfähigkeit der Beschwerdegegnerin 2 ausgehen (Entscheid, S. 27). Diese befand sich aufgrund der willkürfrei festgestellten Umstände in einem Zustand starker Benommenheit, welcher ihr nicht erlaubte, einen Willen im Hinblick auf einen sexuellen Kontakt zu bilden oder kundzutun. Dass die Beschwerdegegnerin 2 noch bei Bewusstsein war, ist unerheblich. Die Widerstandsunfähigkeit gemäss Art. 191 StGB setzt keine Bewusstlosigkeit im Sinne eines komatösen Zustands voraus. Soweit der Beschwerdeführer in seinen rechtlichen Ausführungen von der willkürfreien Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz abweicht und vorbringt, die Beschwerdegegnerin 2 habe in die eingeklagten Handlungen eingewilligt und ihn zu seinem Verhalten gar animiert, indem sie ihn geküsst und ihm beim Runterschieben der Hose geholfen habe, ist auf seine Beschwerde nicht einzutreten (vgl. E. 1.3; Art. 105 Abs. 1 und Art. 106 Abs. 2 BGG).
3.4 Die Vorinstanz stellt willkürfrei fest, dem Beschwerdeführer sei die Widerstandsunfähigkeit der Beschwerdegegnerin 2 bewusst gewesen (siehe E. 2.3.3). Die Gründe dafür musste er nicht kennen. Unerheblich ist, ob er um die GBL-Einnahme der Beschwerdegegnerin 2 wusste (Beschwerde, S. 21). Der Beschwerdeführer hatte keinen Anlass anzunehmen, die Beschwerdegegnerin 2 sei mit seinen Handlungen einverstanden. Dies gilt auch, wenn er der Meinung gewesen sein sollte, diese verhalte sich in sexueller Hinsicht freizügig (Beschwerde, S. 20; Entscheid, S. 29). Wer wie der Beschwerdeführer den Zustand des Opfers kennt und dessen sich daraus ergebende Wehrlosigkeit ernsthaft für möglich hält, nimmt die Tatbestandsverwirklichung in Kauf, wenn er dieses dennoch zu sexuellen Handlungen missbraucht. Die Annahme eventualvorsätzlichen Handelns ist nicht zu bestanden.
4. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung. Die "Einsatzstrafe" von sechs Monaten sei zu hoch und die Erhöhung auf acht Monate nicht angemessen. Straferhöhend seien nur die Vorstrafen zu berücksichtigen, während strafmindernd etliche Faktoren (Geständnis, Nachtatverhalten, Therapiebemühungen) in Betracht fielen (Beschwerde, S. 22).
4.1 Das Bundesgericht hat die Grundsätze der Strafzumessung nach Art. 47 ff. StGB wiederholt dargelegt (BGE 136 IV 55 E. 5.4 ff. mit Hinweisen).
4.2 Die Vorinstanz geht bei der Beurteilung der Tatkomponente von einem insgesamt eher leichten Verschulden aus und setzt die Einsatzstrafe auf sechs Monate fest. Die Tatschwere sei im weiten Spektrum möglicher Tathandlungen im Sinne von Art. 191 StGB im geringfügigen Bereich anzusiedeln. Subjektiv könne dem Beschwerdeführer bei zwar egoistischen Motiven der eigenen Triebbefriedigung nur eventualvorsätzliches Handeln vorgeworfen werden. Die Vorstrafen des Beschwerdeführers aus den Jahren 2002, 2004, 2005, 2008 und 2009 berücksichtigt die Vorinstanz als erheblich straferhöhend. Positiv würdigt sie seine Therapiebemühungen und den Umstand, dass er die Vornahme sexueller Handlungen bereits zu Beginn der Untersuchung zugegeben hat. Die Strafempfindlichkeit und das Vorleben des Beschwerdeführers bewertet sie neutral. Insgesamt hält sie eine Strafe von acht Monaten für angemessen (Entscheid, S. 29 ff.).
4.3 Die Erwägungen zur Strafzumessung halten sich im Rahmen von Art. 47 StGB und die daraus gezogenen Schlüsse sind nachvollziehbar. Die Vorinstanz berücksichtigt alle massgeblichen Gesichtspunkte. Die Festsetzung der "Einsatzstrafe" auf sechs Monate erscheint angesichts der objektiven Tatschwere angemessen. Eine ermessensverletzende Gewichtung der relevanten Strafzumessungsfaktoren ist nicht ersichtlich. Die ausgefällte Strafe von acht Monaten bei einem ordentlichen Strafrahmen bis zu 10 Jahren Freiheitsstrafe oder Geldstrafe bewegt sich auch bei einer Gesamtbetrachtung innerhalb des weiten sachrichterlichen Ermessens. Die Strafart (Freiheitsstrafe), zu welcher die Vorinstanz ebenfalls Stellung nimmt (Entscheid, S. 31 f.), ficht der Beschwerdeführer nicht an.
5. Die Vorinstanz verpflichtet den Beschwerdeführer zur Leistung einer Genugtuung von Fr. 2'000.-- (Entscheid, S. 35). Sie durfte die seelische Unbill der Beschwerdegegnerin 2, welche durch die ungewollt an ihr vorgenommenen sexuellen Handlungen in ihrer Persönlichkeit beeinträchtigt wurde, und den Kausalzusammenhang (vgl. BGE 123 II 19) bejahen. Die Höhe der Genugtuungssumme erscheint trotz des eher leichten Verschuldens des Beschwerdeführers unter Berücksichtigung der erlittenen psychischen Belastung der Beschwerdegegnerin 2 als angemessen und verletzt kein Bundesrecht. Der Antrag, es sei der Beschwerdegegnerin 2 lediglich eine Genugtuung von Fr. 1'000.-- zuzusprechen, ist abzuweisen.
6. Der Beschwerdeführer stellt verschiedene Anträge für den Fall eines Freispruchs (Beschwerde, S. 23 f.; Entschädigung für Untersuchungshaft, anwaltliche Vertretung und Verletzung der persönlichen Verhältnisse, Kosten- und Entschädigungsfolgen). Da es bei der Verurteilung bleibt, ist darauf nicht einzutreten.
7. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist wegen Aussichtslosigkeit abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 BGG). Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist durch eine herabgesetzte Gerichtsgebühr 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 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 Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 1. November 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Arquint Hill