Sachverhalt:
A. Die Staatsanwaltschaft des Kantons Aargau wirft X._ unter anderem folgendes Verhalten vor: Als er am 18. April 2011 erfahren hatte, dass der Sohn seiner Lebenspartnerin, Y._, nicht von ihrem Nochehemann stammt, nötigte er sie, den Namen des leiblichen Vaters preiszugeben. Er drückte ihr ein Kissen auf den Kopf, worauf sie Mühe hatte, zu atmen, schlug ihr ein Bügelbrett gegen die Beine, ohrfeigte sie, würgte sie mit einem TV-Kabel, fesselte ihre Hände auf den Rücken und trat sie gegen den Kopf, als sie am Boden lag. Nachdem sie den Namen des Vaters genannt hatte, zog er der gefesselten Partnerin Hose und Unterhose aus. Er versuchte, gegen ihren Willen vaginal in sie einzudringen. Da es ihm nicht gelang, zog er sie an den Haaren auf das Bett (Bauchlage). Er penetrierte sie mehrmals vaginal, was ihr Schmerzen verursachte. Er drang gegen ihren Willen während ca. einer Minute mehrfach anal in sie ein, packte sie an den Haaren und führte sein Glied direkt vom Anus in ihren Mund. Er drang erneut in ihre Vagina ein, wo er einen Samenerguss hatte. Nachdem er Y._ an den Haaren ins Badezimmer und zurück ins Schlafzimmer gezogen hatte, behändigte er ein Bügeleisen und drohte, es in ihre Vagina einzuführen. Als sie ihm erneut den Namen des Vaters nannte, spuckte er sie an und würgte sie mit beiden Händen, worauf sie für wenige Sekunden das Bewusstsein verlor.
B. Das Bezirksgericht Zofingen verurteilte X._ am 24. Mai 2012 wegen sexueller Nötigung, Vergewaltigung, Nötigung, einfacher Körperverletzung, geringfügiger Sachbeschädigung und mehrfacher Übertretung des Betäubungsmittelgesetzes zu einer Freiheitsstrafe von 4 1⁄2 Jahren und einer Übertretungsbusse von Fr. 700.--.
Auf Berufung des X._ und der Staatsanwaltschaft bestätigte das Obergericht des Kantons Aargau am 6. Dezember 2012 die erstinstanzlichen Schuldsprüche und setzte die Freiheitsstrafe auf 5 1⁄2 Jahre fest.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt im Hauptpunkt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Schuldsprüche der sexuellen Nötigung und Vergewaltigung. Er rügt eine offensichtlich unrichtige (willkürliche) Sachverhaltsfeststellung. Der vorinstanzliche Schluss, wonach die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 (nachfolgend: Partnerin) glaubhaft seien, basiere auf einer ungenügenden Beweiswürdigung.
1.1 Die Vorinstanz erwägt, die Partnerin habe hinsichtlich der sexuellen Handlungen und deren Begleitumstände in allen Einvernahmen detaillierte und übereinstimmende Aussagen gemacht, die sie mit zeitlichen, örtlichen und handlungsbezogenen Gegebenheiten verknüpft habe. Sie habe Komplikationen, besondere Umstände, Interaktionen und eigene Gefühle geschildert. Die wiedergegebenen Gespräche seien aussergewöhnlich und authentisch. Die Sachdarstellung sei nicht übertrieben und belaste den Beschwerdeführer nicht übermässig. Schliesslich sei kein Motiv für eine Falschbelastung ersichtlich. Die Vorinstanz weist auch auf widersprüchliche Aussagen zu Nebenpunkten hin. Die unstimmigen Angaben würden angesichts der zahlreichen Realitätskriterien nichts daran ändern, dass ihre Aussagen im Kerngeschehen glaubhaft seien. Die Vorinstanz erachtet es nicht für möglich, dass die Partnerin eine solch detaillierte und im Kern konstante Schilderung ohne realen Erlebnishintergrund erfunden hat. Für die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen spreche auch, dass der Beschwerdeführer die Gewalthandlungen schliesslich weitgehend bestätigt habe. Auch die Spermaspuren auf dem Kleidungsstück würden ihre Aussagen stützen (Urteil S. 12 ff. Ziff. 2.3.2. f.).
Die Aussagen des Beschwerdeführers beurteilt die Vorinstanz als widersprüchlich und nicht glaubhaft (Urteil S. 20 ff. Ziff. 2.3.4.).
1.2 Von all diesen Elementen, die für die Glaubhaftigkeit der Aussagen der Partnerin sprechen, greift der Beschwerdeführer lediglich drei Punkte auf, um das Gegenteil zu belegen.
Er rügt, die Vorinstanz habe nicht berücksichtigt, dass seine Partnerin ihn anfänglich wider besseren Wissens beschuldigt habe, sie nach dem Vorfall während mehrerer Tage ihrer Freiheit beraubt zu haben. Seine Einwendungen erschöpfen sich in appellatorischer Kritik. Er beschränkt sich darauf, seine Ausführungen vor der Vorinstanz zu wiederholen und setzt sich nicht mit deren Begründung auseinander. Darauf ist nicht einzutreten (<ref-ruling> E. 4.2.3 S. 5 mit Hinweisen).
Der Beschwerdeführer erachtet die Angaben seiner Partnerin zum mehrfachen Würgen (mit Kissen, TV-Kabel und Händen), worauf sie teilweise ohnmächtig geworden sei, als widersprüchlich. Die Vorinstanz würdige die Beweise nicht sorgfältig, wenn sie die unstimmigen Aussagen seiner Partnerin nicht als Indiz dafür betrachte, dass sie unglaubwürdig sei. Die Vorinstanz erwägt, die Abweichungen seien unwesentlich und würden angesichts des Zustandes, in dem sich die Partnerin befunden habe, nicht erstaunen. Dass ihre Schilderungen im Kernbereich konsistent geblieben, jedoch nicht schematisch und identisch erfolgt seien, spreche dafür, dass sie das Erzählte auch tatsächlich erlebt habe (Urteil S. 18 f. Ziff. 2.3.3.2.). Der Beschwerdeführer vermag nicht darzulegen, inwiefern diese vorinstanzlichen Erwägungen unhaltbar sein sollen.
Der Beschwerdeführer wendet ein, die Spermaspuren auf dem Kleidungsstück seiner Partnerin könnten nachträglich beim einvernehmlichen Geschlechtsverkehr entstanden sein. Seine widersprüchlichen Aussagen erklärt er damit, Männer würden sich generell weniger für Kleidung interessieren als Frauen. Entgegen den vorinstanzlichen Erwägungen sei es unwahrscheinlich, dass die Spermaspuren auf der Rückseite des Kleidungsstücks zurückgeblieben wären, wenn der Beschwerdeführer von hinten den Geschlechtsverkehr an seiner Partnerin vollzogen hätte. Die Vorinstanz erachtet die erstinstanzliche Begründung als überzeugend, wonach die Spuren entstanden seien, als er das Glied hinaus- und seine Partnerin das Kleidungsstück hinuntergezogen habe, oder als das Sperma aus der Vagina geflossen sei (Urteil S. 20 Ziff. 2.3.3.3.; erstinstanzliches Urteil S. 10 f.). Die Einwände des Beschwerdeführers lassen die vorinstanzlichen Feststellungen nicht offensichtlich unhaltbar erscheinen.
Insgesamt ist die Willkürrüge unbegründet (vgl. <ref-ruling> E. 7.1 S. 51).
2. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann.
Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist wegen Aussichtslosigkeit abzuweisen (<ref-law>). Der Beschwerdeführer hat die bundesgerichtlichen Kosten zu tragen (<ref-law>). Seine finanzielle Situation ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten zu berücksichtigen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Aargau, Strafgericht, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. Mai 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Andres