Sachverhalt:
A. X._ fuhr am 9. September 2009 um 20.17 Uhr mit einem Personenwagen Porsche D 911 Carrera auf der Hauptstrasse in Litzirüti (GR) in Richtung Arosa (GR). Er wurde bei einer Geschwindigkeitskontrolle mit mindestens 85 km/h gemessen. Damit überschritt er innerorts die signalisierte Höchstgeschwindigkeit von 50 km/h um mindestens 35 km/h.
B. Das Bezirksgericht Plessur sprach X._ am 29. September 2011 der groben Verletzung der Verkehrsregeln schuldig. Es verurteilte ihn zu einer bedingten Geldstrafe von 20 Tagessätzen zu Fr. 190.-- bei einer Probezeit von zwei Jahren und auferlegte ihm eine Busse in der Höhe von Fr. 1'000.--.
Das Kantonsgericht Graubünden wies am 9. August 2012 die Berufung von X._ ab.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das Urteil des Kantonsgerichts Graubünden sei aufzuheben, und er sei wegen einfacher Verletzung der Verkehrsregeln mit einer Busse von höchstens Fr. 1'000.-- zu bestrafen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer macht eine willkürliche Sachverhaltsfeststellung (<ref-law>) sowie die Verletzung der Unschuldsvermutung (<ref-law>, Art. 6 Ziff. 2 EMRK und <ref-law>) geltend (Beschwerde S. 3 ff.).
1.1 Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>; vgl. auch Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von <ref-law> ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 4.2 S. 234 mit Hinweisen; vgl. zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 7.1 S. 51; <ref-ruling> E. 4.2 S. 560; je mit Hinweisen).
Ebenfalls unter dem Gesichtspunkt der Willkür prüft das Bundesgericht, inwiefern das Sachgericht den Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel verletzt hat. Diese aus der Unschuldsvermutung abgeleitete Maxime wurde wiederholt dargelegt, worauf zu verweisen ist (<ref-ruling> E. 2a S. 40 f. mit Hinweisen).
Wird die Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der willkürlichen Anwendung von kantonalem Recht und Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) gerügt, gelten qualifizierte Anforderungen an die Begründung. Eine solche Rüge prüft das Bundesgericht nicht von Amtes wegen, sondern nur, wenn sie in der Beschwerde vorgebracht und substanziiert begründet worden ist. Das bedeutet, dass klar und detailliert anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheids darzulegen ist, inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt worden sein sollen (<ref-law>; <ref-ruling> E. 3.2 S. 228; <ref-ruling> E. 4.2.3 S. 5; <ref-ruling> E. 1.3.1 S. 68; je mit Hinweisen).
1.2 Die inkriminierte Geschwindigkeitsüberschreitung um mindestens 35 km/h ist unbestritten. Sie wurde wenige Hundert Meter nach den Signalen "Ortsbeginn auf Hauptstrassen" und "Höchstgeschwindigkeit 50 generell" (Signale 4.27 und 2.30.1 gemäss Anhang 2 der Signalisationsverordnung vom 5. September 1979 [SSV; SR 741.21]) und vor dem Signal "Ende der Höchstgeschwindigkeit 50 generell" (Signal 2.53.1 gemäss Anhang 2 der SSV) gemessen.
Die Vorinstanz stellt fest, dass die Höchstgeschwindigkeit deutlich signalisiert war. Das Messgerät sei auf der Höhe der Überbauung "Im Boda" und der Ein- und Ausfahrt zu deren Tiefgarage positioniert gewesen. Auf der gegenüberliegenden Strassenseite habe sich die Zu- und Wegfahrt zu einem weiteren Wohnhaus befunden. Im Bereich der Messstelle sei zudem das Gefahrensignal "Kinder" aufgestellt gewesen (Signal 1.23 gemäss Anhang 2 der SSV). Im fraglichen Zeitpunkt sei es bereits weitgehend dunkel gewesen. Es habe schwaches Verkehrsaufkommen geherrscht. Mit der Geschwindigkeit von mindestens 85 km/h hätte der Beschwerdeführer auf der kurvenreichen Strasse nicht mehr innerhalb der überblickbaren Strecke anhalten können (Entscheid S. 8 und 14 ff.).
1.3 Das Bundesgericht ist keine Appellationsinstanz, die eine freie Prüfung in rechtlicher und tatsächlicher Hinsicht vornimmt. Insbesondere reicht für die Rüge einer willkürlichen Beweiswürdigung nicht aus, wenn der Beschwerdeführer zum Beweisergebnis wie in einem appellatorischen Verfahren frei plädiert und darlegt, wie seiner Auffassung nach die vorhandenen Beweise richtigerweise zu würdigen gewesen wären. Dies trifft etwa zu, soweit der Beschwerdeführer bestreitet, dass es zum Tatzeitpunkt weitgehend dunkel gewesen sei. Entgegen seinem Dafürhalten hat die Vorinstanz die Schilderung der Sicht- und Strassenverhältnisse im Polizeirapport vom 5. November 2009 nicht übersehen. Vielmehr legt sie dar, dass sich die Beschreibung im Polizeirapport nicht allein auf die Helligkeitsverhältnisse, sondern auch auf weitere Faktoren wie Nebel, Regen etc. bezieht. Die Vorinstanz zeigt auf, dass die weitgehende Dunkelheit nicht im Widerspruch zu den polizeilichen Beobachtungen steht. Damit setzt sich der Beschwerdeführer nicht auseinander. Im Zusammenhang mit den Sichtverhältnissen würdigt die Vorinstanz zudem den vom Beschwerdeführer während der fraglichen Fahrt aufgenommenen Film. Auf den Videoaufzeichnungen seien die Lichtkegel der Fahrzeugbeleuchtung deutlich erkennbar. Auch dieser Umstand deute auf eine weitgehende Dunkelheit und schliesse eine (im kantonalen Verfahren noch vorgebrachte) Unterbelichtung der Filmaufnahmen aus (Entscheid S. 15 f.). Mit diesen Erwägungen befasst sich der Beschwerdeführer mit keinem Wort (Beschwerde S. 4 f.). Seine Ausführungen genügen den Begründungsanforderungen gemäss <ref-law> nicht.
Ebenso wenig überzeugt, soweit der Beschwerdeführer geltend macht, nach der Geschwindigkeitskontrolle sei die Strasse mindestens 80 Meter lang und gerade gewesen, weshalb von einer kurvenreichen Strecke keine Rede sein könne. Gestützt auf das Foto- und Videomaterial verkennt die Vorinstanz die vom Beschwerdeführer zurückgelegte Strecke nicht. Ebenso ist unbestritten, an welcher Stelle das Radargerät positioniert war, das die sich nähernden Fahrzeuge mass. Der Beschwerdeführer rügt in diesem Zusammenhang die vorinstanzliche Feststellung als willkürlich, wonach er nicht innerhalb der überblickbaren Strecke hätte anhalten können. Er bringt vor, der Bremsweg seines Sportwagens mit leistungsstarken Bremsen habe nicht mehr als 40 Meter betragen. Deshalb habe er nicht nur auf der überblickbaren Strecke von 84 Metern, sondern auch bei einer mit den Abblendlichtern ausgeleuchteten Strecke von 50 Metern rechtzeitig anhalten können (Beschwerde S. 4 f.). Diese Argumentation ist zum einen unzutreffend, da sie nur den Brems- und nicht auch den Reaktions- und Anhalteweg thematisiert. Dass der Anhalteweg (bei einer Geschwindigkeit von mindestens 85 km/h respektive mindestens 23.6 m/s) mehr als 50 Meter betrug, muss nicht weiter erörtert werden. Zum andern kann dahingestellt bleiben, ob die Sachverhaltsfeststellung willkürlich ist. Sie ist nicht entscheidrelevant (E. 2 nachfolgend). Gleiches gilt, soweit der Beschwerdeführer auf seine reduzierte Geschwindigkeit bei Ortsbeginn verweist und in deren Nichtberücksichtigung eine willkürliche Beweiswürdigung sieht. Welche Geschwindigkeit der Beschwerdeführer zu Beginn von Litzirüti einhielt, stellt die Vorinstanz nicht fest. Dies ist nicht zu beanstanden (E. 3.4 nachfolgend).
Dass und inwiefern das vorinstanzliche Beweisergebnis schlechterdings nicht mehr vertretbar sein sollte, zeigt der Beschwerdeführer nicht auf, und eine Verletzung der Unschuldsvermutung ist nicht ersichtlich. Die Beschwerde erweist sich als unbegründet, soweit sie den Begründungsanforderungen von Art. 42 Abs. 2 und <ref-law> überhaupt zu genügen vermag.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer bringt vor, es sei nicht nachgewiesen, dass er sein Fahrzeug nicht innerhalb der überblickbaren respektive der von den Scheinwerfern ausgeleuchteten Strecke hätte anhalten können. Deshalb dürfe auch nicht angenommen werden, die Geschwindigkeit sei den gegebenen Verhältnissen nicht angepasst gewesen. Er habe nicht gegen <ref-law> verstossen (Beschwerde S. 3 ff.).
2.2 Die Geschwindigkeit ist stets den Umständen anzupassen, namentlich den Besonderheiten von Fahrzeug und Ladung, sowie den Strassen-, Verkehrs- und Sichtverhältnissen (<ref-law>). Diese Grundregel zur allgemeinen Höchstgeschwindigkeit wird in Art. 4a der Verkehrsregelnverordnung vom 13. November 1962 (VRV; SR 741.11) konkretisiert (Urteil 6B_261/2008 vom 19. August 2008 E. 1.1). In Ortschaften beträgt die allgemeine Höchstgeschwindigkeit für Fahrzeuge unter günstigen Strassen-, Verkehrs- und Sichtverhältnissen 50 km/h (Art. 4a Abs. 1 lit. a VRV). Sie ist nicht die Geschwindigkeit, die unter allen Umständen ausgefahren werden kann (vgl. <ref-ruling> E. 4b S. 291 mit Hinweisen). Der Fahrzeuglenker darf nur so schnell fahren, dass er innerhalb der überblickbaren Strecke halten kann (Art. 4 Abs. 1 VRV). Signale und Markierungen sind zu befolgen (<ref-law>).
2.3 Dass der Beschwerdeführer sein Fahrzeug, wie er unterstreicht, auf Sichtweite hätte anhalten können, ist nicht relevant. Die von ihm gewählte Geschwindigkeit war entgegen seinem Vorbringen nicht den Umständen angepasst. Es kann dahingestellt bleiben, ob das Ausfahren der angezeigten Höchstgeschwindigkeit bei den konkreten Verhältnissen zulässig gewesen wäre. Dass ein Fahrzeuglenker, welcher innerorts bei weitgehender Dunkelheit die signalisierte Höchstgeschwindigkeit massiv um mindestens 35 km/h (respektive um 70 %) überschreitet und mehrere Zu- und Wegfahrten zu Überbauungen sowie ein Gefahrensignal "Kinder" passiert, sein Tempo nicht den Umständen anpasst, bedarf keiner weiteren Erörterungen. Der Beschwerdeführer hat damit <ref-law> verletzt.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer beanstandet den Schuldspruch der groben Verkehrsregelverletzung im Sinne von <ref-law>. Er bringt vor, ihm könne kein rücksichtsloses oder sonst schwerwiegendes Verhalten zur Last gelegt werden. Er habe sein Fahrzeug erst beschleunigt, als er sich aus nachvollziehbaren Gründen im Ausserortsbereich gewähnt habe. Zudem hätten besondere Umstände bestanden. Zu berücksichtigen sei eine "Ausgangslage mit den meterhohen Absperrungen durch den Innerortsbereich". Auch habe ein äusserst geringes Verkehrsaufkommen geherrscht (Beschwerde S. 5 ff.).
3.2 Gemäss <ref-law> wird mit Freiheitsstrafe bis zu drei Jahren oder Geldstrafe bestraft, wer durch grobe Verletzung der Verkehrsregeln eine ernstliche Gefahr für die Sicherheit anderer hervorruft oder in Kauf nimmt (vgl. auch <ref-law>). Der Tatbestand ist nach der Rechtsprechung objektiv erfüllt, wenn der Täter eine wichtige Verkehrsvorschrift in objektiv schwerwiegender Weise missachtet und die Verkehrssicherheit ernstlich gefährdet. Eine ernstliche Gefahr für die Sicherheit anderer ist bereits bei einer erhöhten abstrakten Gefährdung gegeben. Diese setzt die naheliegende Möglichkeit einer konkreten Gefährdung oder Verletzung voraus (<ref-ruling> E. 3.2 S. 136 mit Hinweisen).
Subjektiv erfordert der Tatbestand von <ref-law> ein rücksichtsloses oder sonst schwerwiegend verkehrswidriges Verhalten, das heisst ein schweres Verschulden, bei fahrlässigem Handeln mindestens grobe Fahrlässigkeit. Diese ist zu bejahen, wenn der Täter sich der allgemeinen Gefährlichkeit seiner verkehrswidrigen Fahrweise bewusst ist. Grobe Fahrlässigkeit kann aber auch vorliegen, wenn der Täter die Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer pflichtwidrig gar nicht in Betracht zieht, also unbewusst fahrlässig handelt. In solchen Fällen ist grobe Fahrlässigkeit zu bejahen, wenn das Nichtbedenken der Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer auf Rücksichtslosigkeit beruht (<ref-ruling> E. 3.2 S. 136 mit Hinweisen).
Nach ständiger Rechtsprechung sind die objektiven und grundsätzlich auch die subjektiven Voraussetzungen der groben Verkehrsregelverletzung im Sinne von <ref-law> ungeachtet der konkreten Umstände zu bejahen, wenn die zulässige Höchstgeschwindigkeit innerorts um 25 km/h oder mehr überschritten wird (<ref-ruling> E. 3.1 S. 237 f. mit Hinweisen).
3.3 Die Vorinstanz nimmt betreffend das Überschreiten der innerorts signalisierten Höchstgeschwindigkeit von 50 km/h um mindestens 35 km/h im Lichte der bundesgerichtlichen Rechtsprechung zu Recht objektiv eine grobe Verkehrsregelverletzung gemäss <ref-law> an. Dies wird vom Beschwerdeführer nicht beanstandet. Auf die vorinstanzlichen Erwägungen kann verwiesen werden (Entscheid S. 16 f.).
3.4 Der Schuldspruch der groben Verkehrsregelverletzung verstösst auch in subjektiver Hinsicht nicht gegen Bundesrecht. Wer die Höchstgeschwindigkeit in derart massiver Weise überschreitet, handelt in aller Regel vorsätzlich oder mindestens grobfahrlässig (<ref-ruling> E. 1f S. 41; Urteil 6B_104/2012 vom 26. September 2012 E. 2.4 mit Hinweisen). Der Beschwerdeführer betont, das Verkehrsaufkommen sei sehr gering und Fussgänger seien nicht unterwegs gewesen (Beschwerde S. 8). Letzteres stellt die Vorinstanz nicht fest, kann jedoch dahingestellt bleiben. Der Beschwerdeführer hat die Verkehrssicherheit innerorts durch den Geschwindigkeitsexzess ernstlich gefährdet. Er bringt mit seiner Argumentation zum Ausdruck, dass er im Falle einer konkreten Gefahr angemessen hätte reagieren können. Diese Einschätzung vermag ihn nicht zu entlasten. Sie offenbart, dass er die Gefährdung anderer Verkehrsteilnehmer pflichtwidrig zumindest nicht in Betracht zog. Die signalisierte Höchstgeschwindigkeit war nach den vorinstanzlichen Feststellungen deutlich erkennbar. Dass der Beschwerdeführer sie wahrnahm, räumt er zumindest implizit ein (Beschwerde S. 6 f.). Gleichwohl beschleunigte er nach nur wenigen Hundert Metern respektive nur kurze Zeit später bei weitgehender Dunkelheit auf mindestens 85 km/h, ohne ein entsprechendes Ende-Signal erblickt zu haben. Damit handelte er zumindest unbewusst fahrlässig.
Je schwerer die Verkehrsregelverletzung objektiv wiegt, desto eher wird Rücksichtslosigkeit subjektiv zu bejahen sein, sofern keine besonderen Gegenindizien vorliegen (Urteil 6B_361/2011 vom 5. September 2011 E. 3.1 mit Hinweis). Solche entlastenden Umstände hat das Bundesgericht bei der Mehrheit der Geschwindigkeitsüberschreitungen verneint (vgl. die Hinweise in den Urteilen 6B_104/2012 vom 26. September 2012 E. 2.4 und 6B_148/2012 vom 30. April 2012 E. 1.3 sowie die Urteile 6B_742/2011 vom 1. März 2012 E. 3.4 und 6B_283/2011 vom 3. November 2011 E. 1.4). Es schloss ein rücksichtsloses Verhalten etwa aus, weil der Fahrzeugführer die bloss während einer Woche geltende und örtlich begrenzte Geschwindigkeitsreduktion auf der Autobahn übersehen hatte (Urteil 6B_109/2008 vom 13. Juni 2008 E. 3; anders aber zum gleichen Sachverhalt das Urteil 1C_224/2010 vom 6. Oktober 2010; vgl. auch das Urteil 6B_622/2009 vom 23. Oktober 2009 E. 3.5 betreffend eine Geschwindigkeitsbeschränkung innerorts, die Teil von Massnahmen eines Verkehrsberuhigungskonzepts bildete).
Entlastende Umstände sind entgegen dem Dafürhalten des Beschwerdeführers nicht gegeben. Dieser wiederholt seine Argumente vor Vorinstanz. Die Vorinstanz legt zutreffend dar, weshalb er aus den Urteilen 6B_109/2008 vom 13. Juni 2008 und 6B_622/2009 vom 23. Oktober 2009 nichts für seinen Standpunkt abzuleiten vermag. Auf ihre Erwägungen kann verwiesen werden (Entscheid S. 17 ff.). Von einer Rechtsverweigerung kann keine Rede sein. Was der Beschwerdeführer zu seiner "grundsätzlichen Rechtstreue" anführt (Beschwerde S. 6 f.), geht an der Sache vorbei. Es ist irrelevant und kann dahingestellt bleiben, ob er zu Beginn des Innerortsbereichs sich verkehrsregelkonform verhielt.
Mit dem Signal "Ortsbeginn auf Hauptstrassen" beginnt der Innerortsbereich von Litzirüti (vgl. Art. 1 Abs. 4 SSV). Der Ortsbeginn wird in Kombination mit dem Signal "Höchstgeschwindigkeit 50 generell" angezeigt. Die Signalisation ist klar erkennbar. Zudem ist die fragliche Strasse aufgrund der örtlichen Verhältnisse (insbesondere Wohnhäuser auf beiden Strassenseiten, Zu- und Wegfahrten sowie die an die Strasse grenzende Überbauung "Im Boda" mit der Einfahrt zur Tiefgarage und den Treppen zu den Häusern), die sich den Fotografien der Verkehrspolizei Graubünden und aus dem Gutachten des Bundesamts für Metrologie METAS entnehmen lassen, gemäss den nachvollziehbaren Feststellungen der Vorinstanz optisch als Innerortsstrecke erkennbar. Der Beschwerdeführer musste insbesondere davon ausgehen, dass Fahrzeuge auf die Strasse ein- und von der Strasse abbiegen würden. Zudem hatte er auf der Fahrbahn mit Velofahrern und (mangels Trottoir) mit Fussgängern zu rechnen. Dass bei der Messstelle, wie der Beschwerdeführer im kantonalen Verfahren behauptete und vor Bundesgericht wiederholt, keine Wohnhäuser mehr zu erkennen gewesen wären, bezeichnet die Vorinstanz als krass aktenwidrig. Sie hält fest, dass sich die Messstelle unmittelbar neben der Aus- und Einfahrt der Tiefgarage (und damit aus der Fahrtrichtung des Beschwerdeführers gesehen zu Beginn) der Wohnsiedlung "Im Boda" befunden hat und die temporären Absperrungen am Strassenrand bereits vor der Messstelle endeten (Entscheid S. 18 f.). Was der Beschwerdeführer diesbezüglich vorbringt, geht nicht über eine unzulässige appellatorische Kritik am vorinstanzlichen Entscheid hinaus. Hinweise, wonach die bei Ortsbeginn signalisierte Höchstgeschwindigkeit kurz später bei der Messstelle aufgehoben gewesen wäre, vermag die Vorinstanz, auch unter Berücksichtigung der provisorischen Absperrungen, nicht auszumachen (Entscheid S. 17 ff.). Dem ist beizupflichten. Es scheint zumindest zweifelhaft, dass der Beschwerdeführer sich nicht mehr im Innerortsgebiet wähnte, bevor er die Überbauung "Im Boda" passiert hatte. Nur wenig zuvor hatte er den Ortsbeginn erreicht. Selbst wenn er die Situation falsch eingeschätzt hätte, wäre mit der Vorinstanz (Entscheid S. 21) ein entsprechender Irrtum bei pflichtgemässer Vorsicht vermeidbar gewesen (vgl. Art. 13 Abs. 2 und Art. 333 Abs. 1 StGB). Seine Unaufmerksamkeit entlastet ihn nicht. Vielmehr offenbart die massive Geschwindigkeitsüberschreitung ein bedenkenloses Verhalten gegenüber fremden Rechtsgütern.
3.5 Der Schuldspruch wegen grober Verletzung der Verkehrsregeln im Sinne von <ref-law> ist bundesrechtskonform.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Die bundesgerichtlichen Kosten sind ausgangsgemäss dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 4'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Kantonsgericht von Graubünden, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 8. April 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Faga