Sachverhalt:
A. X._ wird vorgeworfen, am 15. April 2010 gegen 21.30 Uhr in Schinznach-Bad auf der Aarestrasse Richtung Kreisel Aarestrasse/Bruggerstrasse und auf der Ausserortsstrecke zwischen dem Kreisel und Villnachern statt der erlaubten 80 km/h mit stark überhöhter Geschwindigkeit gefahren zu sein. Eine von ihm überholte zivile Polizeipatrouille stellte mittels Nachfahrmessung eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 130 km/h fest. Nach Abzug der Messfehlertoleranz resultierte eine Geschwindigkeitsüberschreitung von 39 km/h.
B. Das Bezirksgericht Brugg verurteilte X._ am 11. August 2011 wegen grober Verletzung von Verkehrsregeln durch Missachtung der allgemeinen Höchstgeschwindigkeit ausserorts zu einer bedingten Geldstrafe von 45 Tagessätzen zu Fr. 360.-- und einer Busse von Fr. 3'000.--. Die Ersatzfreiheitsstrafe bei nicht bezahlter Busse setzte es auf 30 Tage fest.
Das Obergericht des Kantons Aargau wies die Berufung von X._ am 4. September 2012 in Bezug auf den Schuldpunkt und die Sanktion ab, reduzierte aber die Ersatzfreiheitsstrafe auf neun Tage.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und er sei wegen einfacher Verletzung von Verkehrsregeln zu einer Busse von Fr. 600.-- zu bestrafen. Er verlangt zudem eine andere Kostenverlegung und die Zusprechung einer Prozessentschädigung für das Verfahren vor den kantonalen Instanzen. Im Eventualstandpunkt beantragt er die Rückweisung an die Vorinstanz.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe willkürlich angenommen, dass sich sein Fahrzeug bei Abschluss der Nachfahrmessung gleich weit oder weiter vom Polizeifahrzeug entfernt befunden habe als bei Messbeginn. Die Polizei habe ihn beim Kreisel Aarestrasse/Bruggerstrasse eingeholt, nachdem sie die Warnvorrichtung eingeschaltet habe. Um ihn einholen zu können, habe die Polizei zuerst den Abstand verringern müssen. Stehe aber nicht fest, dass die Distanz zwischen ihm und dem Polizeifahrzeug nicht zumindest gleich geblieben sei, könne keine korrekte Durchschnittsgeschwindigkeit ermittelt werden. Gestützt auf den Grundsatz "in dubio pro reo" sei von der zugestandenen Geschwindigkeitsüberschreitung zwischen 21 und 25 km/h auszugehen (Beschwerde, S. 4 ff.).
1.2 Die Vorinstanz stützt sich auf den Polizeirapport und die Aussagen der beiden Polizeibeamten. Nach deren Aussagen hatten sie nach einer Messstrecke von 1993 Metern die Nachfahrmessung beendet. Der Beschwerdeführer sei im Zeitpunkt des Messabbruchs weiter vom Polizeifahrzeug entfernt gewesen als zu Beginn der Messung. Das Messgerät Multagraph T 21 habe eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 119 km/h (unter Berücksichtigung der Messfehlertoleranz von 8 %) ermittelt und erfülle die Voraussetzungen gemäss Ziff. 10.4.2 der Weisungen über polizeiliche Geschwindigkeitskontrollen und Rotlichtüberwachung im Strassenverkehr des Bundesamtes für Strassen (ASTRA) vom 22. Mai 2008 (Urteil, S. 10 ff.).
1.3 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zu Grunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>). 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>; <ref-law>). Offensichtlich unrichtig im Sinne von <ref-law> ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 4.2 mit Hinweisen; zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 7.1; <ref-ruling> E. 4.2; je mit Hinweisen). Eine entsprechende Rüge muss klar und substantiiert begründet werden (Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; <ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 1.3.1; je mit Hinweisen). Auf eine rein appellatorische Kritik tritt das Bundesgericht nicht ein (<ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 2.8; je mit Hinweisen).
1.4 Der Beschwerdeführer vermag keine Willkür an der vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellung darzutun. Gestützt auf die von der Vorinstanz erhobenen Beweise - insbesondere den Polizeirapport und die Aussagen der beiden Polizeibeamten - durfte sie willkürfrei erkennen, dass sich die Distanz zwischen dem Fahrzeug des Beschwerdeführers und dem Polizeifahrzeug während der Nachfahrmessung nicht verringert hatte.
1.5 Die Beschwerde ist abzuweisen. Bei diesem Ausgang des Verfahrens werden die Gerichtskosten dem Beschwerdeführer auferlegt (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Aargau, Strafgericht, 3. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 18. Februar 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Keller