Faits:
A. Par jugement du 15 novembre 2011, le Tribunal correctionnel de l'arrondissement de Lausanne (ci-après: le Tribunal correctionnel) a libéré X._ des chefs d'accusation de menaces, contrainte, contrainte sexuelle, désagréments causés par la confrontation à un acte d'ordre sexuel, viol et actes d'ordre sexuel commis sur une personne incapable de discernement ou de résistance. Il l'a en revanche reconnu coupable d'infraction à la loi fédérale sur les étrangers et condamné à une peine pécuniaire de soixante jours-amende à 10 fr., assortie du sursis et d'un délai d'épreuve de deux ans.
B. Statuant le 7 mars 2012 sur appel du Ministère public de l'arrondissement de Lausanne (ci-après: le Ministère public) et de la partie plaignante, la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal du canton de Vaud (ci-après: la Cour d'appel pénale) a reconnu le prénommé coupable de contrainte sexuelle, viol et infraction à la loi fédérale sur les étrangers, l'a condamné à une peine privative de liberté de quarante mois et ordonné son arrestation immédiate, ainsi que son placement en détention pour des motifs de sûreté. La condamnation pour viol et contrainte sexuelle est fondée sur les principaux éléments de faits suivants.
Après avoir passé l'après-midi du 13 juin 2009 à converser dans un parc de A._, X._, né le *** 1979, a raccompagné Y._, née le *** 1987, jusqu'à la gare. Constatant qu'aucun train ne ralliait plus B._, la prénommée s'est laissée convaincre de ne pas prévenir ses parents et de suivre X._ jusqu'à son studio où il cohabitait avec cinq autres individus. Au cours de la nuit, alors que X._ était couché, vêtu d'un simple slip, aux côtés de Y._, qui ne s'était pas déshabillée, il l'a embrassée sur la bouche et sur la poitrine, après lui avoir relevé son pull. Malgré l'opposition répétée de la jeune fille, il lui a enjoint de ne pas crier afin de ne pas éveiller les autres colocataires et lui a abaissé son pantalon et son slip, avant de pénétrer d'un doigt le sexe vierge de Y._, lui causant des douleurs.
Le lendemain, X._ a forcé Y._ de le suivre dans un parc, sous la menace de lui faire du mal. L'emmenant à l'écart, il lui a ordonné de baisser son pantalon, ce à quoi elle s'est refusée. Il lui a alors retiré de force son pantalon et sa petite culotte, avant de la contraindre à s'allonger sur le sol. Faisant fi de la résistance opposée, il a maintenu d'une main celles de Y._ au-dessus de sa tête en même temps qu'il s'est agenouillé sur elle, la contraignant ainsi à écarter les cuisses. Il a ensuite pénétré d'un doigt puis de son sexe à deux ou trois reprises celui de la jeune fille, étouffant ses cris de la main. X._ a ensuite abandonné Y._ dans le parc, après l'avoir menacée de mort si elle rapportait ces événements à la police ou à sa famille.
Y._ est parvenue à retrouver seule le chemin de la gare et à regagner son domicile aux environs de 17h00. Alertés la veille par la famille inquiète de l'absence de leur fille, les gendarmes ont été informés de son retour à la maison sur appel téléphonique de son frère à 17h15. Apeurée par les menaces proférées par son agresseur, Y._ n'a pas osé relater les événements à ses parents ou aux gendarmes venus la questionner à son domicile, avant de finalement se confier à C._, infirmière scolaire et amie de la famille. Y._ a porté plainte pénale contre X._ le 17 juin 2009.
C. Par écritures des 12 et 29 mars 2012 (mémoire complémentaire inclus), X._ interjette un recours en matière pénale contre le jugement cantonal dont il requiert la réforme en concluant à sa libération des chefs d'accusation de viol et contrainte sexuelle. En outre, il requiert le bénéfice de l'assistance judiciaire, l'octroi de l'effet suspensif et sa mise en liberté provisoire.
Il n'a pas été ouvert d'échange d'écritures.
Considérant en droit:
1. Le Tribunal fédéral a rejeté les requêtes d'effet suspensif et de mise en liberté provisoire par arrêt 1B_145/2012 rendu le 19 avril 2012, de sorte que le présent arrêt est circonscrit à sa conclusion principale relative à l'acquittement des chefs d'accusation de viol et contrainte sexuelle.
2. Le recourant se plaint d'arbitraire dans la constatation des faits et l'appréciation des preuves. Il reproche en particulier à la cour cantonale de l'avoir condamné pour viol et contrainte sexuelle au mépris de la présomption d'innocence.
2.1 Les griefs d'arbitraire et de violation du principe in dubio pro reo, tels qu'ils sont motivés en l'espèce, n'ont pas de portée propre (cf. ATF 127 I 38 consid. 2a p. 41). Dans le recours en matière pénale, les faits constatés par l'autorité précédente lient le Tribunal fédéral (art. 105 al. 1 LTF), à moins qu'ils n'aient été établis en violation du droit ou de manière manifestement inexacte au sens des art. 97 al. 1 et 105 al. 2 LTF, c'est-à-dire de façon arbitraire au sens de l'art. 9 Cst. (ATF 137 I 58 consid. 4.1.2 p. 62). On peut renvoyer sur la notion d'arbitraire aux principes maintes fois exposés par le Tribunal fédéral (cf. ATF 138 III 378 consid. 6.1 p. 379 s.). En bref, pour qu'il y ait arbitraire, il ne suffit pas que la décision attaquée apparaisse discutable ou même critiquable ou qu'une autre solution puisse entrer en considération ou même soit préférable. Il faut que la décision soit manifestement insoutenable et cela non seulement dans sa motivation, mais aussi dans son résultat. Le Tribunal fédéral n'examine les moyens fondés sur la violation d'un droit constitutionnel que s'ils ont été invoqués et motivés de manière précise (art. 106 al. 2 LTF). Les critiques de nature appellatoire sont irrecevables (ATF 137 IV 1 consid. 4.2.3 p. 5).
2.2 La juridiction d'appel jouissait d'un plein pouvoir d'examen sur tous les points attaqués du jugement (cf. art. 398 al. 2 CPP). Elle était par conséquent légitimée à s'écarter des constatations de première instance sans ordonner de nouvelles mesures d'instruction, contrairement à ce que semble supposer le recourant. Il s'agit dès lors uniquement d'examiner si elle a procédé à une appréciation arbitraire des preuves.
2.3 Pour reconnaître le recourant coupable de viol et contrainte sexuelle, les magistrats cantonaux se sont fondés sur le récit de la partie plaignante qu'ils ont considéré comme crédible alors que celui du recourant était entaché de contradictions qui le discréditaient. Y._ avait tenu des propos constants s'agissant des éléments essentiels de l'agression, et cela par devant les autorités judiciaires aussi bien qu'à l'adresse de tiers (C._ et le pasteur D._). Elle avait identifié son agresseur sur la base d'une planche photographique représentant 16 individus. Elle avait invariablement fait état d'une première agression dans le studio du recourant et d'une seconde dans un parc. Elle avait désigné l'immeuble où elle avait été conduite. Ses faiblesses psychologiques ne lui permettaient pas de relater à différents interlocuteurs une version identique de faits qui ne correspondaient pas à la vérité. Compte tenu de sa vulnérabilité psychique, elle était incapable de mentir en se prétendant victime d'une agression sexuelle dont elle désignerait un innocent en la personne du recourant. Plusieurs témoins avaient du reste déclaré qu'elle n'était pas capable de mentir. Au demeurant, le certificat médical versé au dossier attestait d'ecchymoses, de griffures, de déchirure et suffusion de l'hymen compatibles avec une agression sexuelle commise au préjudice d'une patiente vierge.
S'agissant de la version des faits relatée par le recourant, les magistrats cantonaux l'ont considérée comme n'étant pas fiable. Celui-ci avait d'abord nié, puis admis avoir rencontré Y._. Il avait affirmé n'avoir jamais reçu « de fille dans son lit » à un stade de l'instruction où les enquêteurs n'avaient encore évoqué aucune accusation à caractère sexuel.
2.4 Le recourant conteste l'appréciation des preuves opérée par les magistrats cantonaux. Il leur reproche de s'être fiés à la parole de la partie plaignante alors que les dépositions de celle-ci sont entachées de lacunes et d'incohérences. Au gré desdites dépositions, les faits se seraient en effet déroulés tantôt dans un parc, tantôt dans l'appartement du recourant, dont de surcroît, ni l'un ni l'autre n'ont pu être localisés. Les indications qu'elle a fournies quant à l'heure des événements n'étaient pas compatibles avec les explications du pasteur D._. Selon C._, Y._ ne lui avait pas relaté la présence d'autres personnes dans l'appartement au moment des faits, pas plus qu'elle ne lui avait rapporté avoir subi une agression dans un parc. Y._ lui avait bien plutôt indiqué avoir été mise à la porte de chez le recourant. Le rapport médical ne relevait aucune lésion visible, hormis des douleurs compatibles avec des rapports sexuels normaux. Si Y._ avait été victime d'une agression sexuelle dans un parc fréquenté ou un appartement occupé au même moment par plusieurs personnes, elle aurait pu appeler à l'aide afin de se soustraire à des agissements auxquels elle se refusait, ce qu'elle n'avait pas fait. De l'avis du recourant, elle s'était bien plutôt abandonnée à des rapports sexuels consentis mais interdits par sa confession religieuse et accusait faussement le recourant de viol, afin de sauvegarder l'honneur de sa famille.
Le recourant ne démontre pas ainsi en quoi les considérations cantonales précitées (cf. consid. 2.3) seraient arbitraires, ni que les magistrats cantonaux auraient procédé à des déductions insoutenables. Il se borne pour l'essentiel à opposer sa version des faits à celle retenue par l'autorité précédente moyennant le développement d'une argumentation purement appellatoire et donc irrecevable.
Pour le reste, les magistrats cantonaux ont expliqué de manière exhaustive et convaincante que les lacunes et incohérences émaillant le récit de Y._ portaient sur des circonstances factuelles secondaires auxquelles les premiers juges avaient accordé une importance exagérée. Ainsi, les indications de Y._ quant à l'heure de la seconde agression étaient compatibles avec l'appel téléphonique de son frère annonçant, à 17h15, le retour de sa s?ur à la police. Les précisions divergentes sur ce point du pasteur D._ n'étaient dès lors pas de nature à balayer la crédibilité du récit de Y._, cela d'autant moins que le témoin confondait les dates et les heures. Le souvenir confus que celui-ci gardait des événements constituait en outre le motif pour lequel il avait demandé à C._ de lui rappeler l'année et le mois de leur déroulement (cf. procès-verbal d'appel p. 4). Contrairement à ce que suggère le recourant, on ne saurait y voir les prémisses d'un faux témoignage tendant à conforter la position procédurale de la partie plaignante, cela d'autant que plus de deux années s'étaient écoulées depuis lors. La juridiction cantonale a également spécifié ne rien trouver de surprenant au fait que Y._ n'avait pas localisé le logement spécifique du recourant, attendu qu'elle n'avait pas accompagné les gendarmes à l'intérieur du bâtiment. Elle a souligné que Y._ avait rapporté avoir été menacée de mort afin qu'elle se tût, circonstance qui annihilait toute possibilité d'appeler du secours. Au demeurant, on ne saurait reprocher à la partie plaignante de n'avoir pas livré une version exhaustive de son agression à C._, puisqu'elle se confiait alors à une amie de la famille et non à un enquêteur professionnel rompu à rechercher les détails.
Cela étant, c'est sans arbitraire que la cour cantonale a retenu la version des faits relatée par la partie plaignante en se fondant sur l'ensemble des circonstances d'espèce.
3. Les conclusions du recours étaient ainsi d'emblée dépourvues de chances de succès, de sorte que l'assistance judiciaire doit être refusée (art. 64 al. 1 LTF). Le recourant supportera donc les frais, qui seront fixés en tenant compte de sa situation économique, qui n'apparaît pas favorable (art. 65 al. 2 et 66 al. 1 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté dans la mesure où il est recevable.
2. La demande d'assistance judiciaire est rejetée.
3. Les frais judiciaires, arrêtés à 1'600 francs, sont mis à la charge du recourant.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties et à la Cour d'appel pénale du Tribunal cantonal du canton de Vaud.
Lausanne, le 19 décembre 2012
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Mathys
La Greffière: Gehring