Sachverhalt:
A. X._ geriet am 8. März 2008 im Hardwald auf dem Gemeindegebiet Bülach auf einer geraden Strecke mit seinem Personenwagen auf die Gegenfahrbahn. Er stiess mit einem korrekt entgegenkommenden Fahrzeug zusammen. Durch die Kollision wurden die Lenker beider Fahrzeuge sowie je ein mitfahrendes Kind verletzt.
B. Der Einzelrichter in Strafsachen des Bezirkes Bülach sprach X._ mit Entscheid vom 26. Januar 2010 der mehrfachen fahrlässigen Körperverletzung schuldig. Er verurteilte ihn zu einer bedingten Geldstrafe von 30 Tagessätzen zu Fr. 30.-- bei einer Probezeit von drei Jahren sowie zu einer Busse in der Höhe von Fr. 300.--.
In Abweisung der von X._ erhobenen Berufung bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich am 16. August 2011 das Urteil des Einzelrichters.
C. X._ führt Beschwerde ans Bundesgericht. Er beantragt, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich sei aufzuheben, und er sei von Schuld und Strafe freizusprechen. Des Weiteren ersucht er um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege und Verbeiständung sowie um Erteilung der aufschiebenden Wirkung.

Erwägungen:
1. Gemäss Gutachten vom 22. März 2011 des Instituts für Rechtsmedizin der Universität Zürich, Abteilung Verkehrsmedizin und Forensische Psychiatrie, ist das Abkommen des Beschwerdeführers von der Fahrbahn auf ein kurzzeitiges Einschlafen am Steuer zurückzuführen.
1.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, dass die Ursache des Unfalls eine plötzlich aufgetretene Bewusstseinsstörung sei. Das Gutachten von Dr. med. B._ sei nicht fundiert und nicht schlüssig. Indem die Vorinstanz darauf abstelle, verfalle sie in Willkür (<ref-law>) und verletze sie die Unschuldsvermutung (<ref-law> und Art. 6 Ziff. 2 EMRK; Beschwerde S. 5 ff.).
1.2 Das Gericht würdigt Gutachten grundsätzlich frei. In Fachfragen darf es davon indessen nicht ohne triftige Gründe abweichen, und Abweichungen müssen begründet werden. Ein Abweichen ist zulässig, wenn die Glaubwürdigkeit des Gutachtens durch die Umstände ernsthaft erschüttert ist. Umgekehrt kann das Abstellen auf nicht schlüssige Gutachten unter Verzicht auf die gebotenen zusätzlichen Beweiserhebungen gegen das Willkürverbot und gegen Verfahrensrechte der Parteien verstossen. Ob ein Gericht die im Gutachten enthaltenen Erörterungen für überzeugend hält oder nicht und ob es dementsprechend den Schlussfolgerungen des Experten folgen oder ein Ergänzungsgutachten beziehungsweise eine Oberexpertise einholen soll, ist eine Frage der Beweiswürdigung, die mit Beschwerde in Strafsachen wegen Verletzung des Willkürverbots aufgeworfen werden kann. Dasselbe gilt für die Frage, ob ein Gutachten in sich schlüssig ist. Eine entsprechende Kritik muss substanziiert dargelegt werden (<ref-law>; <ref-ruling> E. 3.2 S. 547 f.; <ref-ruling> E. 4.2.3 S. 391; <ref-ruling> E. 4.4.1 S. 269; <ref-ruling> E. 2a S. 238, 97 E. 2b S. 99 f.; je mit Hinweisen).
Inwiefern das Sachgericht den Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel verletzt hat, prüft das Bundesgericht unter dem Gesichtspunkt der Willkür (vgl. zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen). Ob dieser Grundsatz als Beweislastregel verletzt ist, prüft es hingegen mit freier Kognition. Diese aus der Unschuldsvermutung (<ref-law> und Art. 6 Ziff. 2 EMRK) abgeleiteten Maximen wurden wiederholt dargelegt, worauf zu verweisen ist (<ref-ruling> E. 2a S. 40 f. mit Hinweisen).
1.3 Die Expertise des Instituts für Rechtsmedizin vom 22. März 2011 wurde von der Vorinstanz in Auftrag gegeben und von Dr. med. B._ verfasst. Dieser hält einleitend unter anderem fest, dass der Beschwerdeführer im Jahre 2003 eine grobe Verletzung der Verkehrsregeln begangen habe, nachdem er am Steuer eingeschlafen sei. Der Gutachter nennt für den Vorfall vom 8. März 2008 vier mögliche Unfallursachen, wobei er zwei davon (Suizidversuch und blosse Unaufmerksamkeit) sofort verwirft. Er prüft die Möglichkeit einer kurzzeitig, akut am Steuer aufgetretenen Bewusstseinsstörung. Diese könne auf einen möglichen epileptischen Anfall, eine Minderdurchblutung des Gehirns aufgrund einer Störung der Herztätigkeit oder auf eine Regulationsstörung der normalen Blutverteilung (vagovasale Synkope) zurückzuführen sein. Der Experte legt dar, weshalb ein epileptischer Anfall und eine Störung der Herztätigkeit äusserst unwahrscheinlich seien und eine vagovasale Synkope ausser Betracht falle. Hinweise auf eine im Unfallzeitpunkt respektive unmittelbar davor akut aufgetretene Bewusstseinsstörung würden sich deshalb keine ergeben.
Weitere mögliche Unfallursache sei nach der Einschätzung des Gutachters ein kurzzeitiges Einschlafen am Steuer. In diesem Fall würden stets Symptome von Müdigkeit oder Schläfrigkeit vorausgehen, welche aber sehr schlecht in der Erinnerung haften bleiben würden. Der Beschwerdeführer habe sich zudem am 8. März 2008 in einer Situation befunden, welche ein kurzes, unerwartetes Einschlafen begünstigt habe (monotone Fahrtstrecke, chronische psychische Belastung etc.). Dass der Unfall auf ein kurzes Einschlafen am Steuer (und nicht auf eine akute Bewusstseinsstörung) zurückzuführen sei, müsse mithin gestützt auf eine Ausschlussdiagnose angenommen werden (vorinstanzliche Akten act. 75 S. 13 ff.).
Das Gutachten verneint die Frage nach einer möglichen Störung im Zeitpunkt des Unfalls vorbehaltlos. Daraus ist der Umkehrschluss zu ziehen, dass nach Einschätzung des Experten keine zusätzlichen Untersuchungen nötig waren, um eine entsprechende Diagnose zu stellen.
1.4 Die Vorinstanz hält die Expertise vom 22. März 2011 für nachvollziehbar, fundiert und überzeugend. Sie schliesst sich den gutachterlichen Schlussfolgerungen an (angefochtener Entscheid S. 12 ff.).
1.5 Die Rüge des Beschwerdeführers fusst hauptsächlich auf der Behauptung, es seien verschiedene medizinische Untersuchungen erforderlich, um die Frage nach einer allfälligen Bewusstseinsstörung zu beantworten. Ob eingehende (neurologische) Abklärungen zusammen mit bestimmten laborchemischen und apparativen Zusatzuntersuchungen indiziert sind, ist eine Fachfrage, welche der Gutachter im Rahmen seines Auftrags regelmässig vorab zu prüfen hat. Nach Ansicht des Beschwerdeführers könne dem Gutachter nicht vorgeworfen werden, dass er die nötigen Abklärungen 1 3⁄4 Jahre nach dem Unfall (richtig: 2 3⁄4 Jahre) unterlassen habe. Gleichwohl sei dessen Einschätzung nicht fundiert. Die Kritik geht in zweifacher Hinsicht fehl.
Zum einen ist sie nicht substanziiert und zeigt sie nicht auf, weshalb in Abweichung der Expertise zusätzliche medizinische Abklärungen nötig gewesen wären. Soweit der Beschwerdeführer auf seine Ausführungen im kantonalen Verfahren verweist, ist er damit nicht zu hören. Die Begründung der Beschwerde muss in der Beschwerdeschrift selbst enthalten sein, und blosse Verweise auf andere Aktenstücke sind unbeachtlich (<ref-ruling> E. 3.1 S. 399 f. mit Hinweisen). Beispielsweise vermag der alleinige Hinweis auf Schlafuntersuchungen (Polysomnographie) und die Magnetresonanztomographie nicht aufzuzeigen, weshalb das Gutachten, ohne sich auf die entsprechenden Techniken abzustützen, als nicht schlüssig zu werten und deshalb davon abzuweichen wäre. Zudem lagen dem Experten Testergebnisse mittels Elektroenzephalogramm tatsächlich vor (vorinstanzliche Akten act. 89/3), weshalb die Rüge der fehlenden Untersuchung diesbezüglich fehlgeht.
Zum anderen erweist sich die Behauptung betreffend fehlende medizinische Abklärungen als eine rein appellatorische Kritik, indem sich der Beschwerdeführer mit den Ausführungen des Sachverständigen nicht auseinandersetzt. Eine solche Vertiefung wäre jedoch am Beschwerdeführer gelegen, und er hätte substanziiert aufzeigen müssen, inwiefern die vorhandenen Beweise andere Schlussfolgerungen geradezu aufgedrängt hätten und die Beweiswürdigung der Vorinstanz (auch) im Ergebnis offensichtlich unhaltbar sei. Dr. med. B._ legt beispielsweise dar, dass sich ein kurzer Ohnmachtsanfall (vagovasale Synkope) zwingend mit gut erkennbaren Vorzeichen wie Übelkeitsgefühle mehrere Minuten im Voraus ankündige. Zudem setze eine vagovasale Synkope stets Faktoren wie Schmerzen etc. voraus. Da der Beschwerdeführer keine typischen Symptome verspürt habe und auslösende Faktoren gefehlt hätten, falle eine entsprechende Bewusstseinsstörung ausser Betracht (vorinstanzliche Akten act. 75 S. 17 f.). Der Beschwerdeführer zeigt nicht auf, weshalb diese Schlussfolgerung nicht überzeugen sollte. Entsprechendes gilt, soweit der Gutachter darlegt, weshalb ein epileptischer Anfall und eine Minderdurchblutung des Gehirns durch eine Störung der Herztätigkeit praktisch ausgeschlossen werden könnten (vorinstanzliche Akten act. 75 S. 17).
Für die Begutachtung des Beschwerdeführers zieht Dr. med. B._ unter anderem einen Bericht von Dr. med. C._, Spezialarzt für Neurologie, vom 27. November 2008 sowie einen Bericht der neurologischen Klinik am Universitätsspital Zürich vom 20. April 2009 heran. Die Expertise hält fest, die Untersuchung mittels Elektroenzephalogramm habe eine "leichte herdförmige Funktionsstörung rechts frontal" ergeben. Für das Unfallereignis sei keine neurologische Erklärung erkennbar, insbesondere bestünden "keinerlei Hinweise für eine Epilepsie oder eine andere neurologisch bedingte Bewusstseinsstörung" (vorinstanzliche Akten act. 75 S. 10 mit Verweis auf act. 89/3). Was der Beschwerdeführer dagegen vorbringt, überzeugt nicht. Er macht zusammengefasst geltend, die Begutachtung einer anderen Person habe zutage gebracht, dass eine frühere mittels Elektroenzephalogramm festgestellte mittelschwere Funktionsstörung rund elf Monate später nicht weiter bestanden habe. Deshalb sei anzunehmen, dass die von Dr. med. C._ diagnostizierte Funktionsstörung im Unfallzeitpunkt ebenfalls wesentlich ausgeprägter gewesen sei. Nach den zutreffenden Erwägungen der Vorinstanz können gestützt auf das vom Beschwerdeführer genannte Gutachten keine Rückschlüsse auf den konkreten Fall gezogen werden. Die Argumentation des Beschwerdeführers setzt voraus, dass sich sämtliche Funktionsstörungen bei verschiedenen Personen stets gleichartig und positiv entwickeln sowie eine leichte Störung zwingend auf eine ältere schwerere Störung hinweist. Dies leuchtet nicht ohne Weiteres ein. Insbesondere ist, falls diese Annahme tatsächlich zuträfe, davon auszugehen, dass der Neurologe Dr. med. C._ im Wissen darum und mit Blick auf die durch ihn durchgeführten Untersuchungen nicht festgehalten hätte, für den fraglichen Unfall keine neurologische Erklärung zu finden. Das vom Beschwerdeführer genannte Gutachten einer Drittperson vermag den Bericht von Dr. med. C._ respektive den Beweiswert des Gutachtens von Dr. med. B._ nicht in Frage zu stellen.
Dr. med. B._ legt dar, dass sich der Beschwerdeführer auf der fraglichen Autofahrt in einer Risikosituation befunden habe, am Steuer einzuschlafen (vorinstanzliche Akten act. 75 S. 19 und 21). Damit unterstreicht der Gutachter die von ihm gestellte Diagnose in nachvollziehbarer Weise. Der Beschwerdeführer zeigt keine erheblichen Gründe auf, die ein Abweichen vom Gutachten nahelegen würden. Zwar dürfte es beispielsweise mit dem Beschwerdeführer zutreffen, dass das entsprechende Risiko auf der inkriminierten Fahrt kleiner war als während einer langen Reise nachts auf der Autobahn. Darin liegt hingegen kein Umstand, der die Glaubwürdigkeit des Gutachtens erschüttern würde.
Insgesamt vermag der Beschwerdeführer nicht Mängel des Gutachtens substanziiert darzutun und dessen Überzeugungskraft ernsthaft in Frage zu stellen. Die Vorinstanz durfte deshalb ohne Verfassungsverletzung triftige Gründe für ein Abweichen von den Schlussfolgerungen von Dr. med. B._ verneinen und auf dessen Gutachten abstellen.
1.6 Ohne Grund sieht der Beschwerdeführer die aus der Unschuldsvermutung (<ref-law> und Art. 6 Ziff. 2 EMRK) abgeleitete Beweislastregel verletzt (Beschwerde S. 8). Die Vorinstanz nimmt nicht an, der Beschwerdeführer habe seine Unschuld zu beweisen. Der Gutachter bejahte unter anderem die Frage, "Kann eine akute Bewusstseinsstörung zum Zeitpunkt des Unfalls [...] bzw. unmittelbar davor ausgeschlossen werden?", ausdrücklich und vorbehaltlos. Zweifel an der Diagnose infolge Zeitablaufs äusserte er nicht. Dies würdigt die Vorinstanz willkürfrei, ohne dem Beschwerdeführer die Beweislast zu überbinden.
1.7 Soweit der Beschwerdeführer beim Gutachter einen "Anschein der Voreingenommenheit" sieht, ohne eine entsprechende Verfassungsverletzung (<ref-law>) zu rügen und substanziiert darzutun, genügt die Beschwerde den Begründungsanforderungen nicht (<ref-law>). Darauf ist nicht einzutreten.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer macht eine Verletzung des rechtlichen Gehörs geltend (<ref-law>). Die Vorinstanz habe sich mit seiner Argumentation betreffend den Bericht von Dr. med. C._ vom 27. November 2008 nicht auseinandergesetzt. Ebenso wenig habe sie seinen Einwand gehört, die befahrene Strecke sei entgegen der Einschätzung des Gutachters nicht monoton gewesen (Beschwerde S. 10 ff.).
2.2 Der in <ref-law> gewährleistete Anspruch auf rechtliches Gehör verlangt, dass die Behörden die Vorbringen des vom Entscheid in seiner Rechtsstellung Betroffenen auch tatsächlich hören, prüfen und in der Entscheidfindung berücksichtigen (<ref-ruling> E. 3.2 S. 270 mit Hinweisen). Soweit der Beschwerdeführer behauptet, die Vorinstanz setze sich mit seinem Vorbringen zum Bericht von Dr. med. C._ nicht auseinander, ist seine Rüge unbegründet (vorinstanzlicher Entscheid S. 14). Weiter qualifiziert das Gutachten die durch den Hardwald führende Strecke als relativ monoton. Diese Einschätzung durfte die Vorinstanz übernehmen, ohne ausdrücklich sämtliche vorgetragenen Standpunkte (beispielsweise, kurz vorher einen Kreisel befahren zu haben) aufzugreifen. Die Behörde darf sich in ihrem Entscheid auf die wesentlichen Gesichtspunkte und Leitlinien beschränken und braucht sich nicht mit jedem sachverhaltlichen oder rechtlichen Einwand auseinanderzusetzen (<ref-ruling> E. 3.2 S. 270 mit Hinweisen). Die vorinstanzliche Begründung ermöglicht den Prozessparteien respektive der Rechtsmittelinstanz, sich über die Tragweite des Entscheids ein Bild zu machen. Dem Beschwerdeführer war es denn auch möglich, diesen sachgerecht anzufechten, und Gegenteiliges wird von ihm nicht vorgebracht.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Der Beschwerdeführer wird ausgangsgemäss kostenpflichtig (<ref-law>). Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. Das Gesuch ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos war (<ref-law> e contrario). Seinen angespannten finanziellen Verhältnissen ist mit reduzierten Gerichtskosten Rechnung zu tragen (<ref-law>).
Mit dem Entscheid in der Sache wird das Gesuch um aufschiebende Wirkung gegenstandslos.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 26. März 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Faga