Sachverhalt:
A. Am 10. März 2009 besuchte X._ Verwandte in Langenthal. Am frühen Nachmittag begab er sich mit seinem Personenwagen auf den Rückweg über die Autobahn A1 in Fahrtrichtung Zürich. Am folgenden Tag meldete sich A._, von Beruf Polizeibeamter, telefonisch bei X._. Er eröffnete ihm, er habe ihn auf der fraglichen Fahrt zwischen der Einfahrt Niederbipp und der Verzweigung Härkingen beobachtet. Er sei zu nahe auf den Vordermann aufgefahren und habe ein Telefon ohne Freisprecheinrichtung benutzt.
B. Mit Strafverfügung vom 14. September 2009 verurteilte die Staatsanwaltschaft des Kantons Solothurn X._ wegen grober (ungenügendem Abstand) und einfacher Verkehrsregelnverletzung (Verwenden eines Telefons ohne Freisprecheinrichtung während der Fahrt) zu einer Geldstrafe von 5 Tagessätzen zu Fr. 70.-- und zu einer Busse von Fr. 500.--. Gegen diese Verfügung erhob X._ Einsprache. Der Amtsgerichtspräsident Thal-Gäu bestätigte am 29. Juni 2010 die Schuldsprüche und bestrafte X._ mit einer Busse von Fr. 1'000.--. Das Obergericht des Kantons Solothurn sprach X._ am 15. Dezember 2011 im Appellationsverfahren wegen einfacher Verkehrsregelnverletzung durch ungenügenden Abstand schuldig. Gleichzeitig stellte es fest, dass der Schuldspruch wegen einfacher Verkehrsregelnverletzung durch Verwenden eines Telefons ohne Freisprecheinrichtung während der Fahrt in Rechtskraft erwachsen war. Es verurteilte X._ zu einer Busse von Fr. 800.--.
C. Gegen dieses Urteil erhebt X._ Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und er sei vom Vorwurf des ungenügenden Abstands freizusprechen. Die Sache sei zur Neuregelung der Verfahrens- und Parteikosten an die Vorinstanz zurückzuweisen, unter Kosten- und Entschädigungsfolgen.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer stellt die Zulässigkeit der Strafanzeige des Zeugen A._ und des darauf basierenden Strafverfahrens in Frage. Die Kontrolle des öffentlichen Strassenverkehrs sei auf dem fraglichen Strassenabschnitt der Kantonspolizei Solothurn vorbehalten. Die Verurteilung gestützt auf den Rapport des Zeugen A._, eines Schaffhauser Polizeibeamten, sei unzulässig (Beschwerde S. 7 f.).
1.2 Wird die Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der willkürlichen Anwendung von kantonalem Recht und Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) gerügt, gelten qualifizierte Anforderungen an die Begründung (Art. 97 Abs. 1 und <ref-law>; <ref-ruling> E. 1.3.1 S. 68 mit Hinweisen).
1.3 Gemäss § 74 der Strafprozessordnung vom 7. Juni 1970 des Kantons Solothurn (aStPO/SO; übergangsrechtlich anwendbar gestützt auf Art. 453 Abs. 1 StPO; SR 321.0) ist jedermann zur Anzeige einer Straftat berechtigt, die von Amtes wegen zu verfolgen ist. Einfache und grobe Verletzungen der Verkehrsregeln sind Offizialdelikte (<ref-law>). Der Zeuge A._, der eine Straftat in seiner Eigenschaft als Privatperson wahrnahm, durfte Anzeige erstatten. Nichts herleiten kann der Beschwerdeführer aus der Zuständigkeit der Kantonspolizei Solothurn sowie den entsprechenden bundesrechtlichen Vorschriften zur Verkehrskontrolle, namentlich nichts aus Art. 3 der Verordnung über die Kontrolle des Strassenverkehrs vom 21. März 2007 (Strassenverkehrskontrollverordnung; SKV; SR 741.013), weil der Zeuge die Handlungen des Beschwerdeführers nicht in seiner Funktion als Amtsperson beobachtete und insoweit keine der Kantonspolizei Solothurn vorbehaltene Verkehrskontrolle durchführte. Weshalb der Rapport des Zeugen gegen die kantonale Strafprozessordnung verstossen sollte, substanziiert der Beschwerdeführer nicht näher. Die Rüge ist unbegründet, soweit darauf einzutreten ist.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen den von der Vorinstanz festgestellten Sachverhalt. Er rügt in diesem Zusammenhang Verstösse gegen das Willkürverbot, die Unschuldsvermutung, den Anspruch auf ein faires Verfahren und die Begründungspflicht (<ref-law>, <ref-law>, Art. 6 Ziff. 1 EMRK, <ref-law>).
2.2 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. 2.4 S. 313 f. mit Hinweis; vgl. zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen).
2.2 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. 2.4 S. 313 f. mit Hinweis; vgl. zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen).
2.3 2.3.1 Im Einzelnen macht der Beschwerdeführer geltend, das angefochtene Urteil enthalte keine Sachverhaltsfeststellungen zur Grösse seines Abstandes und zu seiner Geschwindigkeit (Beschwerde S. 11 f.).
2.3.2 Die Vorinstanz stellt auf die Aussagen des Zeugen A._ ab, welche sie als glaubhaft erachtet. Danach hielt der Beschwerdeführer auf der Strecke von Niederbipp bis Egerkingen wiederholt und über mehrere 100 Meter einen Abstand von 10 Meter bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h ein. Die Fahrzeuge mussten bei dichtem Verkehr wiederholt bremsen, so dass sie sich einander immer wieder näherten und sich voneinander entfernten (Urteil S. 4 bis S. 10 und S. 12: "Handorgeleffekt"). Von dieser Abstands- und Geschwindigkeitsschätzung des Zeugen zieht die Vorinstanz zugunsten des Beschwerdeführers eine nicht näher bezeichnete Sicherheitsmarge ab, namentlich aufgrund der wechselnden Geschwindigkeiten, so dass sie rechtlich zu einer einfachen Verkehrsregelnverletzung gelangt. Damit trägt sie den Ungenauigkeiten der Wahrnehmung des Zeugen und der Geschwindigkeitsangabe seines Tachometers Rechnung. Sie geht davon aus, der Beschwerdeführer habe einen Abstand von 1.8 bis 2 Sekunden bzw. 50 Meter bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h deutlich unterschritten, jedoch einen Abstand von 0.6 Sekunden bzw. 1/6 Tacho eingehalten. Diese vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen sind hinreichend genau, weil deren Ausgangspunkt die präzisen Angaben des Zeugen A._ bilden. Dass die Vorinstanz den Abstand und die Geschwindigkeit des Beschwerdeführers nach Abzug des Toleranzwertes nicht exakt beziffert, führt nicht zu einer ungenügenden Urteilsbegründung. Die Feststellungen reichen zur Anwendung des Bundesrechts aus. Die Rüge ist unbegründet.
2.4 2.4.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz würdige die Aussagen der Beteiligten qualifiziert unrichtig. Sie werte seine Angaben zu Unrecht und ohne hinreichende Begründung als Schutzbehauptung. Zudem seien die Aussagen des Zeugen A._ widersprüchlich hinsichtlich der Distanzen, ob und wieviel Wasser auf der Strasse war und ob er seine Ehefrau habe wecken müssen. Der Zeuge habe sich an der vorinstanzlichen Verhandlung nicht mehr an den Vorfall erinnert. Erforderlich sei zudem, dass der Zeuge die belastenden Aussagen vor dem Gericht vortrage und dass er mit den Aussagen des Beschwerdeführers "konfrontiert" werde. Die früheren Aussagen reichten für einen Schuldspruch nicht aus.
2.4.2 Die Vorinstanz durfte auf die tatnäheren Aussagen des Zeugen A._ vor erster Instanz abstellen, ohne den Grundsatz in dubio pro reo, den Anspruch auf ein faires Verfahren und das Willkürverbot zu verletzen. Denn die Erinnerung ist umso besser, je kürzer ein Ereignis zurückliegt, was gerichtsnotorisch ist. Ausserdem bestätigte der Zeuge A._ vor Obergericht, seine bisherigen Angaben entsprächen der Wahrheit. Der Beschwerdeführer substanziiert nicht, woraus er ableitet, vor Obergericht gelte das Unmittelbarkeitsprinzip, wiewohl hinsichtlich der Verletzung kantonalen Prozessrechts erhöhte Begründungsanforderungen gelten (<ref-law>). Im Übrigen befragten die erste Instanz und die Vorinstanz sowohl den Beschwerdeführer als auch den Zeugen A._ in den jeweiligen Hauptverhandlungen. Dabei erhielt der Beschwerdeführer Gelegenheit, dem Zeugen Ergänzungsfragen zu stellen, dessen Sachverhaltsdarstellung kritisch zu hinterfragen und ihn mit seiner eigenen Sicht der Dinge zu "konfrontieren". Seine sinngemässe Rüge, die Aussagen des Zeugen seien infolge der Verletzung von Verfahrensvorschriften (d.h. mangels "Konfrontation" des Zeugen mit den Aussagen des Beschwerdeführers) unbeachtlich (Beschwerde S. 9 f.), erweist sich als unbegründet. Die vorinstanzliche Beweiswürdigung und deren Ergebnis sind vertretbar. Darauf kann in Anwendung von <ref-law> verwiesen werden, soweit im Folgenden nicht näher darauf eingegangen wird.
2.4.3 Der Beschwerdeführer befand sich zur Tatzeit auf der vom Zeugen A._ bezeichneten Strasse. Auf Vorhalt des vom Zeugen geschilderten Sachverhalts räumte er ein, das Mobiltelefon zwischen Achsel und Ohr eingeklemmt zu haben. Blieb diese Beobachtung des Zeugen in Bezug auf das Telefonieren ohne Freisprechanlage unbestritten, so durfte die Vorinstanz grundsätzlich annehmen, dass auch die Aussagen zum ungenügenden Abstand glaubhaft seien. Für diese Würdigung spricht, dass der Zeuge eine unnötige Belastung des Beschwerdeführers unterliess, indem er vor Vorinstanz aufgrund des Zeitablaufs nachvollziehbare Erinnerungslücken einräumte. Zudem kannte er den Beschwerdeführer zuvor nicht. Er weckte seine Frau, eigens um die Verfehlungen schriftlich festzuhalten, was für ein gravierendes Ereignis spricht (Urteil S. 9). Zudem riskierte der Zeuge als Polizist bei einer Falschaussage seine Entlassung. Auch wenn er kein Verkehrspolizist ist, verfügte er aufgrund seiner Ausbildung über eine gewisse Erfahrung, die ihm half, Distanzen einzuschätzen. Zur Bestimmung des Abstandes, den der Beschwerdeführer einhielt, zog der Zeuge eine Autolänge als Orientierungshilfe heran. Insoweit ist unerheblich, dass er den Abstand zwischen den Mittelstreifen und deren Länge nicht kannte.
Die kleineren vom Beschwerdeführer aufgezeigten Widersprüche oder Unklarheiten vermögen die Aussage des Zeugen A._ im Kern nicht in Frage zu stellen. Dies betrifft z.B. die Frage, ob die Strasse so nass war, dass Gischt spritzte (vgl. act. 10 bis act. 12, act. 57) oder nur feucht, aber ohne Wasser auf der Fahrbahn (act. 59). Dem Grundsatz nach vermochte sich der Zeuge jedenfalls an regnerisches Wetter erinnern. Keine Zweifel an der Glaubhaftigkeit vermögen die unterschiedlichen Angaben zu seinem eigenen Abstand zu wecken. Es leuchtet ein, dass der Zeuge fast 3 Jahre nach dem Vorfall vor Obergericht nicht mehr exakt wusste, ob sein Abstand 50 Meter betragen bzw. dass er früher von 60 bis 70 Metern gesprochen hatte. Mit den Aussagen des Zeugen ist im Übrigen auch sein schriftlicher Nachtrag vor Vorinstanz (Schreiben vom 4. April 2011) vereinbar, er habe seine Ehefrau geweckt, bevor diese die schriftlichen Aufzeichnungen gemacht habe. Es handelt sich um eine Präzisierung, die der Angabe, er habe seiner Ehefrau unmittelbar während des Vorfalls die massgeblichen Daten diktiert, nicht entgegensteht. Dass der Zeuge sich erst nachträglich an diesen Umstand erinnerte, lässt die Glaubhaftigkeit unberührt. Ebensowenig ändert die Behauptung des Beschwerdeführers, er habe unterwegs angeblich zwei Polizeifahrzeuge gesehen, etwas an den glaubhaft geschilderten Beobachtungen des Zeugen A._. Denn der Zeuge und der Beschwerdeführer befanden sich unbestrittenermassen zur selben Zeit auf dem fraglichen Autobahnabschnitt. Der Begleitumstand, ob Polizeifahrzeuge zu sehen waren, berührt den Kerngehalt der Zeugenaussage zur Frage des Abstands nicht.
2.4.4 Die Vorinstanz erachtet die Aussage des Beschwerdeführers, er halte immer einen Abstand von einem halben Tacho ein, bei Regen sogar mehr, als Schutzbehauptung, weil er ein Interesse daran habe, den angeklagten Vorfall zu bestreiten. Diese Begründung ist entgegen der in der Beschwerde vertretenen Auffassung hinreichend (Beschwerde S. 9).
2.5 Soweit der Beschwerdeführer seine eigene Würdigung der Beweise darlegt, ohne sich substanziiert mit dem angefochtenen Urteil zu befassen, ist auf die Beschwerde nicht einzutreten (z.B. auf die Behauptung, er sei nie über 100 km/h gefahren, seine Aussagen seien glaubhaft; die Aussagen des Zeugen A._ seien falsch und widersprüchlich; der Zeuge A._ habe den nachfolgenden Verkehr behindert; der Zeuge A._ sei aufgrund seiner Beteiligung an einem Auffahrunfall vor 25 Jahren [act. 57], wiederholter Anzeigen wegen ungenügenden Abstandes und unangenehmen Begegnungen mit Beanzeigten nicht hinreichend objektiv, Beschwerde S. 3, S. 8 f., S. 11, S. 14). Dies gilt auch für die aktenwidrige Behauptung, der Zeuge habe angegeben, er könne die Verantwortung für seine Aussage nicht übernehmen (Beschwerde S. 6).
Die Rüge, der Zeuge sei nie mit seinen (des Beschwerdeführers) Aussagen konfrontiert worden, begründet der Beschwerdeführer nicht näher (Beschwerde S. 8 f.). Er legt nicht dar und es ist aus den Akten auch nicht ersichtlich, dass die Vorinstanz ihm verwehrt hätte, den Zeugen mittels Ergänzungsfragen mit seiner Sichtweise zu konfrontieren.
2.6 Die Rügen zum Sachverhalt sind insgesamt nicht stichhaltig, soweit darauf einzutreten ist (Art. 97 Abs. 1 und <ref-law>).
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Solothurn, Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 26. April 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Das präsidierende Mitglied: Schneider
Die Gerichtsschreiberin: Koch