Faits:
A. Par ordonnance du 30 avril 2010, le Juge d'instruction de l'arrondissement de Lausanne a clôturé par non-lieu l'enquête ouverte d'office et sur plainte de A.X._ à l'encontre de Y._ pour voies de fait, injure, actes d'ordre sexuel avec des enfants, contrainte, contrainte sexuelle et viol. Le magistrat a en outre rejeté les conclusions civiles de A.X._ ainsi que de ses parents, B.X._ et C.X._.
B. Saisi d'un recours des trois derniers nommés, le Tribunal d'accusation du canton de Vaud l'a rejeté aux termes d'un arrêt du 29 juillet 2010 statuant sur les éléments de faits suivants.
Y._, né le 22 janvier 1974, a fait l'objet de poursuites pénales pour avoir prétendument forcé, sous la menace d'un couteau à cran d'arrêt, A.X._, née le 16 octobre 1991, à entretenir avec lui des relations sexuelles complètes, une première fois en mars ou avril 2005, une deuxième fois en novembre 2005 et une troisième fois en mai 2006. A la fin de chaque rapport, il l'aurait en outre contrainte à une fellation. Les faits se seraient déroulés dans les caves de l'immeuble situé au chemin de L._. Par ailleurs, Y._ aurait obligé A.X._ à lui pratiquer une fellation par semaine au cours du printemps jusqu'à l'été 2005 et depuis le début de l'année jusqu'au mois de juin 2006. Au cours de ces rapports, il l'aurait en outre traitée de "pute" à plusieurs reprises. Ces événements se seraient déroulés en forêt ou dans le quartier de L._, notamment au pied de l'escalier extérieur d'un immeuble et derrière l'école du quartier. En mars 2005, Y._ aurait retenu A.X._ par le bras et plaqué celle-ci contre un mur de l'établissement public M._. Glissant sa main sous son pull, il lui aurait alors caressé la poitrine, avant de la frapper d'un coup de poing sur l'épaule, puis de la laisser s'échapper. Le 5 septembre 2007, il l'aurait importunée devant son gymnase, l'empêchant de passer son chemin. Le 17 décembre 2008, il l'aurait saisie par le poignet, avant de la gifler et de la traiter de "pute". Le 4 février 2009, elle l'aurait rencontré entre 11h.15 et 11h.20 alors qu'elle se rendait à l'infirmerie de son gymnase. Il l'aurait alors saisie par le poignet, insultée et menacée. En se débattant, elle aurait heurté un mur avec son poignet droit.
C. A.X._, B.X._ et C.X._ interjettent un recours en matière pénale contre le jugement cantonal. Ils concluent à ce que l'ordonnance du 30 avril 2010 soit annulée et l'affaire renvoyée au juge d'instruction pour complément d'enquête et nouvelle décision. Ils requièrent par ailleurs l'assistance judiciaire.
Il n'a pas été ordonné d'échange d'écritures.
Considérant en droit:
1. 1.1 Le recours ayant été interjeté en 2010 contre une décision rendue en 2010 également, la compétence pour statuer sur celui-là relève de la Cour de droit pénal (cf. art. 33 let. c de l'ancien règlement du Tribunal fédéral [RTF; RS 173.110.131] et art. 132 de la loi fédérale sur le Tribunal fédéral [LTF; RS 173.110]), le nouvel art. 29 al. 3 RTF, entré en vigueur le 1er janvier 2011, ne s'appliquant pas.
1.2 Le Tribunal fédéral examine d'office et librement la recevabilité des recours qui lui sont soumis (ATF 136 II 470 consid. 1 p. 472).
1.2.1 L'arrêt attaqué a été rendu le 29 juillet 2010 et le recours contre celui-ci déposé le 14 septembre 2010 devant le Tribunal fédéral. La qualité pour recourir des recourants s'examine par conséquent au regard de l'art. 81 LTF selon la teneur de cette disposition en vigueur jusqu'au 31 décembre 2010 (NIKLAUS SCHMID, Übergangsrecht der schweizerischen Strafprozessordnung, Zurich 2010, p. 98, ch. 352).
1.2.2 L'art. 81 al. 1 LTF confère la qualité pour former un recours en matière pénale à quiconque a pris part à la procédure devant l'autorité précédente, ou a été privé de la possibilité de le faire, et a un intérêt juridique à l'annulation ou à la modification de la décision attaquée.
1.2.2.1 L'art. 81 al. 1 let. b LTF dresse une liste, non exhaustive, des personnes auxquelles cette qualité est expressément reconnue. Ainsi, le chiffre 5 de cette disposition confère la qualité pour recourir à celui qui est victime au sens défini par la loi fédérale sur l'aide aux victimes d'infractions (LAVI; RS 312.5), à la condition que la décision attaquée puisse avoir des effets sur le jugement de ses prétentions civiles. Est une victime au sens de la LAVI, toute personne qui a subi, du fait d'une infraction, une atteinte directe à son intégrité physique, psychique ou sexuelle (art. 1 al. 1 LAVI). Ont également droit à l'aide aux victimes, le conjoint, les enfants et les père et mère de la victime ainsi que les autres personnes unies à elle par des liens analogues (proches) (art. 1 al. 2 LAVI).
1.2.2.2 En l'occurrence, la qualité de victime - de même que celle des proches (cf. arrêt 6B_588/2007 du 11 avril 2008 consid. 1.2) - n'est pas douteuse vu la nature et la gravité des infractions reprochées. En saisissant l'autorité cantonale, les trois recourants ont provoqué l'arrêt attaqué et participé à la procédure. En outre, ils ont pris des conclusions civiles en instance cantonale (cf. ordonnance du 30 avril 2010 p. 9). Il est par ailleurs évident que le non-lieu prononcé par l'autorité cantonale est de nature à influencer négativement le jugement des prétentions civiles qu'ils pourraient faire valoir contre l'intimé. Les recourants ont ainsi qualité pour former un recours en matière pénale (art. 81 al. 1 let. a et b ch. 5 LTF).
2. 2.1 Les recourants font valoir une violation de leur droit d'être entendu pour le motif que l'arrêt attaqué contient une motivation lacunaire, voire inexistante sur les éléments pertinents soulevés dans le recours cantonal.
2.2 Pour satisfaire à l'obligation de motiver sa décision, le juge n'a pas l'obligation d'exposer et de discuter tous les faits, moyens de preuve et griefs invoqués par les parties, mais peut se limiter à l'examen des questions qui, sans arbitraire, apparaissent décisives pour l'issue du litige. Il suffit que le justiciable puisse apprécier correctement la portée de la décision et l'attaquer à bon escient (cf. ATF 134 I 83 consid. 4.1 p. 88; 130 II 530 consid. 4.3; 126 I 15 consid. 2a/aa et les arrêts cités).
2.3 La motivation de l'arrêt cantonal est suffisante pour comprendre ce qui a guidé la solution des juges cantonaux. En réalité, les recourants ne soulèvent pas un grief caractéristique d'une violation de leur droit d'être entendu. Ils reprochent bien plutôt à l'autorité cantonale d'avoir procédé à une appréciation arbitraire des preuves et, partant, violé l'adage "in dubio pro duriore" en ne renvoyant pas le prévenu devant l'autorité de jugement. C'est sous cet angle que le grief sera traité.
3.1 3.1.1 Selon l'art. 260 CPP/VD, le juge instructeur rend une ordonnance de non-lieu s'il estime qu'il n'y a pas lieu à condamnation ou à renvoi. L'autorité d'instruction doit ainsi éviter la saisine du juge du fond lorsqu'il apparaît d'emblée qu'une condamnation est exclue, notamment en raison du doute qui doit profiter à l'accusé. Selon l'adage « in dubio pro duriore », un renvoi en jugement s'impose si la culpabilité du prévenu apparaît vraisemblable ou simplement possible (cf. arrêt 6B_588/2007 du 11 avril 2008 consid. 3.2.3, publié dans la Praxis 2008, n. 123, p. 766). L'adage "in dubio pro duriore" n'a pas de portée indépendante par rapport aux dispositions du droit cantonal, dont le Tribunal fédéral ne revoit l'application que sous l'angle restreint de l'arbitraire. Il en va de même pour l'appréciation des preuves opérée par l'instance cantonale (ATF 129 I 8 consid. 2.1 p. 9).
3.1.2 L'appréciation des preuves n'est arbitraire que si le juge n'a manifestement pas compris le sens et la portée d'un moyen de preuve, s'il a omis sans raison sérieuse de tenir compte d'un moyen important propre à modifier la décision attaquée ou encore si, sur la base des éléments recueillis, il a fait des déductions insoutenables (cf. ATF 129 I 8 consid. 2.1 p. 9 et les arrêts cités).
3.1.3 Le Tribunal fédéral ne peut entrer en matière sur l'arbitraire allégué que si ce dernier est démontré dans le recours conformément aux exigences de motivation de l'art. 106 al. 2 LTF, les critiques de nature appellatoire étant irrecevables (ATF 134 II 349 consid. 3 p. 351/352).
3.2 La cour cantonale a retenu que Y._ - entendu à sept reprises durant l'enquête - avait toujours contesté les accusations portées contre lui. De l'avis de sa psychologue, il souffrait de troubles psychotiques résultant de carence affective durant l'enfance, mais pas de schizophrénie. Il n'était pas violent envers autrui, mais néanmoins capable de se défendre s'il se sentait agressé. Il n'avait jamais évoqué de comportements déviants et les pratiques perverses ne faisaient pas partie des traits de sa personnalité, ce que son ancienne petite amie avait confirmé. Aux dires des deux témoins précités, il n'avait jamais été attiré par les enfants ou les adolescentes, mais s'intéressait aux femmes de son âge. S'agissant des lieux de commission des infractions, l'inspection locale du 18 mars 2009 avait établi que l'accès aux caves ainsi qu'à l'immeuble situé au chemin de L._ nécessitait, depuis 2004, l'usage d'une clé que la plaignante n'avait jamais évoquée. En outre, cette dernière avait hésité puis faussement indiqué la porte de la buanderie à la place de celle de la cave. Parmi les chemins forestiers décrits par A.X._, l'un était condamné depuis le mois de décembre 2003, tandis qu'un second était en principe inaccessible au public depuis le début d'année 2005, soit avant que les faits dénoncés ne se produisent. L'enquête avait également établi que le 4 février 2009 à 11 h. 13, l'intimé retirait de l'argent à un bancomat de Bellevaux, de sorte qu'il ne pouvait pas simultanément agresser A.X._ au gymnase de N._. Par ailleurs, cette dernière avait déclaré à D._ et E._ avoir été victime d'abus dans son enfance, avant de se rétracter pour soutenir qu'elle parlait en réalité d'une amie qui avait été abusée. Enfin, il paraissait peu vraisemblable que les nombreux actes décrits par la plaignante pussent se dérouler sans que personne ne surprenne le prévenu compte tenu du nombre de locataires habitant le même immeuble que lui, du fait que les caves se trouvaient sur le même palier que la buanderie, que les escaliers à ciel ouvert étaient situés sous les fenêtres d'un immeuble de plusieurs étages et proches d'une porte accédant à des locaux de celui-ci et que les chemins forestiers environnaient une route et une école.
Cela étant, la juridiction cantonale a considéré que l'intimé avait toujours formellement contesté les accusations portées contre lui. Aucun témoin n'avait assisté aux faits en cause, bien qu'ils se seraient produits dans des endroits relativement fréquentés. Aucun indice matériel n'impliquait le prévenu. Enfin, les déclarations de A.X._ souffraient de contradictions et incohérences. Partant, l'autorité cantonale a considéré que le doute - par trop important pour asseoir une conviction - devait profiter à Y._ et que le renvoi en jugement de celui-là n'était pas suffisamment fondé au regard de la maxime "in dubio pro duriore".
3.3 Les recourants reprochent aux juges cantonaux d'avoir ignoré le rapport du docteur F._ (psychiatre) selon laquelle le caractère traumatisant d'abus sexuels ne portait pas seulement sur la violence physique, la douleur ou la peur, mais s'étendait à la confusion des perceptions et de la pensée qu'ils infligeaient à la victime, ce qui rendait très problématique la faculté de celle-ci à réfléchir et à intégrer son expérience pour en faire part à un tiers. Ils avaient également omis de considérer les témoignages de E._ et D._ selon lesquelles A.X._ était très angoissée à proximité de Y._. E._ avait en outre pu observer des traces d'agression sur le corps de la plaignante. Ils n'avaient pas non plus pris en compte l'enquête ouverte en 2004 contre Y._ pour des faits similaires perpétrés à l'encontre d'une amie de A.X._, ni du fait que selon les deux plaignantes, il avait tenu des propos à connotation sexuelle devant elles. Les magistrats n'avaient pas non plus statué sur les arguments de la défense relatifs à l'inaccessibilité des chemins de forêt. De même, les caves ne constituaient-elles pas des lieux fréquentés, mais des endroits isolés et à l'abri des regards. La juridiction cantonale avait également écarté les constatations médicales des docteurs G._, F._, H._, I._ et celles de "Familles solidaires". Enfin, elle n'avait pas procédé à l'audition de K._, de Mme J._ et du doyen du gymnase de N._, lesquels étaient susceptibles d'étayer la plausibilité des événements prétendument survenus le 4 février 2009.
3.3 Les recourants reprochent aux juges cantonaux d'avoir ignoré le rapport du docteur F._ (psychiatre) selon laquelle le caractère traumatisant d'abus sexuels ne portait pas seulement sur la violence physique, la douleur ou la peur, mais s'étendait à la confusion des perceptions et de la pensée qu'ils infligeaient à la victime, ce qui rendait très problématique la faculté de celle-ci à réfléchir et à intégrer son expérience pour en faire part à un tiers. Ils avaient également omis de considérer les témoignages de E._ et D._ selon lesquelles A.X._ était très angoissée à proximité de Y._. E._ avait en outre pu observer des traces d'agression sur le corps de la plaignante. Ils n'avaient pas non plus pris en compte l'enquête ouverte en 2004 contre Y._ pour des faits similaires perpétrés à l'encontre d'une amie de A.X._, ni du fait que selon les deux plaignantes, il avait tenu des propos à connotation sexuelle devant elles. Les magistrats n'avaient pas non plus statué sur les arguments de la défense relatifs à l'inaccessibilité des chemins de forêt. De même, les caves ne constituaient-elles pas des lieux fréquentés, mais des endroits isolés et à l'abri des regards. La juridiction cantonale avait également écarté les constatations médicales des docteurs G._, F._, H._, I._ et celles de "Familles solidaires". Enfin, elle n'avait pas procédé à l'audition de K._, de Mme J._ et du doyen du gymnase de N._, lesquels étaient susceptibles d'étayer la plausibilité des événements prétendument survenus le 4 février 2009.
3.4 3.4.1 Ce faisant, les recourants n'établissent pas en quoi la cour cantonale aurait procédé à une appréciation arbitraire des preuves. Ils n'allèguent pas que celle-ci aurait faussement retranscrit les déclarations des témoins entendus ou le contenu des pièces sur lesquelles elle s'est fondée. De manière globale, ils reprochent aux juges leur appréciation des circonstances et des moyens de preuves sans pour autant démontrer en quoi celles-ci seraient insoutenables. Ils se bornent à exposer leur propre conception du litige dans une démarche largement appellatoire qui ne remplit pas les exigences de motivation précitées et qui se révèle par conséquent irrecevable (cf. consid. 3.1.3 supra).
3.4.2 Du reste, l'argumentation des recourants ne suffit pas à remettre en cause l'issue du litige. En effet, les recourants n'établissent pas que les éléments de preuves pris en compte par les juges cantonaux (cf. consid. 3.2 supra) seraient en eux-mêmes critiquables. Sur la base de ceux-là, l'établissement des faits est exempt d'arbitraire. En particulier, c'est sans arbitraire que les juges cantonaux ont renoncé à auditionner K._, Mme J._ et le doyen du gymnase de N._ dès lors que les preuves administrées - en particulier celle établissant la présence à Bellevaux de l'intimé le 4 février 2009 à 11h.13 - leur avaient permis d'acquérir la certitude que les mesures d'instruction sollicitées ne les conduiraient pas à modifier leur opinion sur les événements du 4 février 2009 (cf. arrêt attaqué p. 6; sur la notion d'appréciation anticipée des preuves, ATF 134 I 140 consid. 5.3; ATF 130 II 425 consid. 2.1 p. 428 ss).
Les considérations cantonales fondées sur les éléments de preuves pris en compte ne sont aucunement insoutenables et le Tribunal fédéral y renvoie intégralement (art. 109 al. 3 LTF). Ainsi, dans la configuration du cas d'espèce, il apparaît que le juge du fond, à qui la cause aurait été renvoyée, aurait objectivement dû éprouver des doutes et n'aurait pas pu se déclarer convaincu par les faits reprochés à l'intimé, sauf à enfreindre la présomption d'innocence garantie par les art. 14 par. 2 Pacte ONU II, 6 par. 2 CEDH et 32 al. 1 Cst., ainsi que son corollaire, le principe in dubio pro reo (sur cette notion, ATF 120 Ia 31 consid. 2c p. 37). Partant, c'est sans enfreindre la maxime "in dubio pro duriore" (consid. 3.1.1 supra) que les juges cantonaux n'ont pas renvoyé l'intimé en jugement et qu'ils ont confirmé l'ordonnance de classement du 30 avril 2010. Le recours se révèle mal fondé, dans la mesure où il est recevable.
3.4.3 A titre superfétatoire, la cour de céans observe que la juridiction cantonale n'a pas qualifié les déclarations de A.X._ comme constitutives d'autant de mensonges. Elle a bien plutôt retenu que la plaignante présentait des lésions hyménéales compatibles avec l'anamnèse d'une agression sexuelle, qui n'étaient cependant pas imputables à Y._ au regard du défaut de preuves incriminant celui-ci.
4. Comme les conclusions du recours étaient d'emblée vouées à l'échec, l'assistance judiciaire ne peut pas être accordée (art. 64 al. 1 LTF). Les recourants devront donc supporter les frais judiciaires, dont le montant sera toutefois arrêté au regard de leur situation économique (art. 65 al. 2 et 66 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2. La requête d'assistance judiciaire est rejetée.
3. Les frais judiciaires, arrêtés à 800 francs, sont mis à la charge des recourants, solidairement entre eux.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties et au Tribunal d'accusation du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 31 mai 2011
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: La Greffière:
Mathys Gehring