Sachverhalt:
A. In Bestätigung des erstinstanzlichen Urteils des Richteramtes Thal-Gäu verurteilte das Obergericht des Kantons Solothurn X._ am 15. Februar 2012 wegen mehrfacher Sachbeschädigung (Dispositiv-Ziffer 3) und weiterer Delikte zum Nachteil von Y._ zu einer unbedingten Freiheitsstrafe von neun Monaten und einer Busse von Fr. 500.-- als teilweise Zusatzstrafe zum Urteil des Obergerichts des Kantons Aargau vom 27. Oktober 2004 (Dispositiv-Ziffer 4). Es verpflichtete ihn zur Zahlung einer Genugtuung und Parteientschädigung an Y._ (Dispositiv-Ziffern 8 und 10) und auferlegte ihm die Verfahrenskosten (Dispositiv-Ziffer 12).
B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, es seien die Dispositiv-Ziffern 3, 4, 8, 10 und 12 des Urteils des Obergerichts des Kantons Solothurn vom 15. Februar 2012 aufzuheben. Er sei vom Vorwurf der mehrfachen Sachbeschädigung freizusprechen, und die gegen ihn ausgesprochene Freiheitsstrafe von neun Monaten sowie die ihm auferlegten Parteientschädigungen und Verfahrenskosten seien um je ein Fünftel herabzusetzen. Eventualiter seien die Ziffern 3, 4, 8, 10 und 12 des angefochtenen Urteils aufzuheben und die Sache insoweit zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe die dem Schuldspruch wegen mehrfacher Sachbeschädigung zugrunde liegenden Sachverhalte unter Verletzung von Beweiswürdigungsregeln (<ref-law>) und der Unschuldsvermutung (<ref-law>, Art. 6 Ziff. 2 EMRK) unvollständig und unrichtig festgestellt.
2. 2.1 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>). Die 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-ruling> E. 1.4.1).
Dem Sachgericht steht im Bereich der Beweiswürdigung ein erheblicher Ermessensspielraum zu (<ref-ruling> E. 4b S. 40; Urteil des Bundesgerichts 6B_7/2012 vom 5. Juli 2012 E. 1.3). Das Bundesgericht greift auf Beschwerde hin nur ein, wenn das Sachgericht sein Ermessen missbraucht, insbesondere offensichtlich unhaltbare Schlüsse zieht, erhebliche Beweise übersieht oder solche willkürlich ausser Acht lässt (<ref-ruling> E. 2.1; <ref-ruling> E. 2.1). Würdigt das erkennende Gericht einzelne, seinem Entscheid zugrunde liegende, belastende Indizien willkürlich oder lässt es entlastende Umstände willkürlich ausser Acht, führt dies nicht zwingend zur Aufhebung des angefochtenen Urteils. Erforderlich ist, dass bei objektiver Würdigung des ganzen Beweisergebnisses offensichtlich erhebliche und schlechterdings nicht zu unterdrückende Zweifel an der Täterschaft zurückbleiben (Urteil des Bundesgerichts 6B_781/2010 vom 13. Dezember 2010 E. 3.4 mit Hinweis). Ebenfalls nur unter dem Gesichtspunkt der Willkür prüft das Bundesgericht, ob das Sachgericht den Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel verletzt hat (<ref-ruling> E. 2a S. 40 f.; Urteil des Bundesgerichts 6B_263/2012 vom 24. August 2012 E. 1.2; je mit Hinweisen).
Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist, mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht, eine Norm oder einen unumstrittenen Rechtsgrundsatz krass verletzt oder in stossender Weise dem Gerechtigkeitsgedanken zuwiderläuft. Das Bundesgericht hebt einen Entscheid jedoch nur auf, wenn nicht bloss die Begründung, sondern auch das Ergebnis unhaltbar ist. Dass eine andere Lösung ebenfalls als vertretbar oder gar zutreffender erscheint, genügt nicht (<ref-ruling> E. 2.4; <ref-ruling> E. 4.2 S. 560; je mit Hinweisen).
2.2 Neue Tatsachen und Beweismittel können im Verfahren vor Bundesgericht nur soweit vorgebracht werden, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt, was in der Beschwerde näher darzulegen ist (<ref-law>). Hierzu zählen unter anderem tatsächliche Vorbringen, die erst aufgrund einer neuen überraschenden rechtlichen Argumentation der Vorinstanz Rechtserheblichkeit erlangt haben. Tatsachenbehauptungen, die der Beschwerdeführer im kantonalen Verfahren vorzutragen unterlassen hat, und die deshalb von der Vorinstanz auch nicht berücksichtigt werden konnten, können nicht gerügt werden (Urteil des Bundesgerichts 6B_2/2007 vom 14. März 2007 E. 3; LAURENT MERZ in: Basler Kommentar, Bundesgerichtsgesetz, 2. Aufl. 2011, N. 63 zu <ref-law>).
3. 3.1 Der Beschwerdeführer bringt vor, die Vorinstanz stelle aktenwidrig fest, er habe die Beschwerdegegnerin 2 jeweils angerufen, nachdem er deren Wagen beschädigt haben soll. Aus den Akten ergebe sich hingegen, dass die Beschwerdegegnerin 2 wegen der Sachbeschädigung vom 19./21. September 2009 vor der Verkehrspolizei Schaffhausen zu Protokoll gegeben habe, er hätte ihr die Beschädigung ihres Autos per SMS mitgeteilt. Eine solche SMS sei bei der Auswertung der Mobiltelefone jedoch nicht sichergestellt worden.
3.2 Der Beschwerdeführer führt weder die Fundstelle des von ihm angeführten Aktenstücks an, noch legt er es seiner Beschwerde bei. Es ist nicht Sache des Bundesgerichts, in den Akten des kantonalen Verfahrens nach angerufenen Beweismitteln zu forschen. Es obliegt dem Beschwerdeführer, die genaue Aktenstelle zu bezeichnen bzw. den Beleg mit der Beschwerde einzureichen, aus dem sich Willkür ergeben soll. Bereits aus diesem Grunde ist auf die Rüge nicht einzutreten (Urteil des Bundesgerichts 6B_446/2011 vom 27. Juli 2012 E. 4.3).
Im Übrigen ist die Rüge verspätet. Der Beschwerdeführer beruft sich erstmals im bundesgerichtlichen Verfahren auf die Aussage der Beschwerdegegnerin 2, um eine falsche Sachverhaltsfeststellung zu rügen. Bei den Akten befindet sich ein Tatbestandsrapport der Verkehrspolizei Schaffhausen vom 24. September 2009, der festhält, die Beschwerdegegnerin 2 habe sinngemäss ausgesagt, der Beschwerdeführer habe ihr die Sachbeschädigung vom 19./21. September 2009 per SMS mitgeteilt. Der Rapport wurde während des Vorverfahrens verfasst und befand sich bereits im Zeitpunkt des erstinstanzlichen Gerichtsverfahrens bei den Akten. Beide kantonalen Gerichte stützten ihre Schuldsprüche wegen mehrfacher Sachbeschädigung in erster Linie auf die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2, wonach der Beschwerdeführer sie jeweils nach Begehung der Delikte angerufen und ihr deren Begehung mitgeteilt habe (erstinstanzliches Urteil E. 8c, S. 16; angefochtenes Urteil E. 4d, S. 16 f.). Der Beschwerdeführer hätte somit spätestens vor der Vorinstanz die Beweiswürdigung rügen und den Tatbestandsrapport der Verkehrspolizei sowie deren Verfasserin als Beweismittel benennen müssen. Dies hat er versäumt. Dass erst der angefochtene Entscheid insoweit zur Rüge Anlass gegeben hat, behauptet er zu Recht nicht.
Die Rüge ist ebenfalls verspätet, soweit der Beschwerdeführer aus dem Tatbestandsrapport eine willkürliche Beweiswürdigung der Vorinstanz ableiten will. Im Übrigen vermag er nicht zu belegen, inwiefern die Beweiswürdigung der Vorinstanz, auf die verwiesen werden kann, willkürlich und die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 unglaubwürdig sein sollen. Mit den vorinstanzlichen Erwägungen setzt sich der Beschwerdeführer nicht auseinander. Den Akten lässt sich entnehmen, dass der Tatbestandsrapport erst drei Tage nach dem Vorsprechen der Beschwerdegegnerin 2 erstellt und von ihr nicht unterschrieben wurde (Verfahrensakten der Staatsanwaltschaft, AS 287). Bei allen späteren formellen Einvernahmen zur Sache gab die Beschwerdegegnerin 2 vor der Staatsanwaltschaft und den kantonalen Gerichten auf Vorhalt des Tatbestandsrapportes und unter Hinweis auf ihre Pflicht zur wahrheitsgemässen Aussage jeweils zu Protokoll, der Beschwerdeführer habe ihr unmittelbar nach der zweiten Sachbeschädigung telefonisch mitgeteilt, ihr "Auto sehe jetzt super aus". Er habe immer gesagt, er mache keine Dinge, die bewiesen werden könnten. Die Vorinstanz hat die Aussagen des Beschwerdeführers und der Beschwerdegegnerin 2 im Lichte der übrigen Beweise und Indizien umfassend gewürdigt. Sie konnte aufgrund des konstanten Aussageverhaltens der Beschwerdegegnerin 2 und der weiteren Beweislage (vgl. angefochtenes Urteil, E. 2-3 S. 8-13, E. 4d S. 16 f.) willkürfrei annehmen, dass der Beschwerdeführer die Sachbeschädigungen nach deren Begehung telefonisch und nicht per SMS mitgeteilt hatte. Dies erklärt auch, warum keine SMS mit entsprechendem Inhalt bei der Auswertung der Mobiltelefone gefunden wurde.
Der Beschwerdeführer kann mit den neuen tatsächlichen Vorbringen zum Nachweis falscher Sachverhaltsfeststellung und willkürlicher Beweiswürdigung nicht gehört werden. Auf die Rüge ist insoweit nicht einzutreten; im Übrigen wäre sie abzuweisen.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe nicht berücksichtigt, dass die am Fahrzeug gesicherten DNA-Spuren keinen Hinweis auf ihn ergeben hätten. Es sei ihm damals schon aufgrund seiner Berufstätigkeit und der Entfernung von seinem Wohnort zu den Tatorten in Schaffhausen und Umgebung zeitlich unmöglich gewesen, die Sachbeschädigungen zu begehen. Zudem habe das Auto der Beschwerdegegnerin 2 nur bei der ersten Sachbeschädigung vor ihrer Wohnung in Schaffhausen gestanden. Die nachfolgenden Sachbeschädigungen habe er nicht verüben können, da es ihm praktisch unmöglich gewesen sei, das Auto in Schaffhausen und Umgebung zu finden.
4.2 Die Vorinstanz führt aus, bei den Sachbeschädigungen gebe es weder Tatspuren noch unmittelbare Tatzeugen, so dass zu prüfen sei, inwieweit den sich widersprechenden Angaben des Beschwerdeführers und der Beschwerdegegnerin 2 Glauben geschenkt werden könne. Letztere habe überzeugend ausgeführt, dass stets nur ihr Fahrzeug und dasjenige ihres ehemaligen Ehemannes beschädigt worden seien, andere in unmittelbarer Nähe parkierte Fahrzeuge hingegen nicht. Zudem lägen keinerlei Indizien vor, dass im fraglichen Zeitraum jemand anderes ein Motiv für die mehrfachen Sachbeschädigungen zum Nachteil der Beschwerdegegnerin 2 gehabt habe. Der Beschwerdeführer habe gemäss der edierten Arbeitsberichte zu den Tatzeiten nicht gearbeitet und am 12. September 2009 (kurz vor der ersten Sachbeschädigung vom 17./18. September 2009) von der neuen Adresse der Beschwerdegegnerin 2 Kenntnis erhalten.
4.3 Die Rüge, das angefochtene Urteil basiere auf einer unvollständigen Beweiswürdigung, ist unzutreffend. Die Vorinstanz hat sämtliche in der Rüge aufgeführten Indizien berücksichtigt, diesen jedoch keine entlastende Wirkung beigemessen. Damit vermag der Beschwerdeführer nicht darzutun, weshalb die vorinstanzliche Interpretation offensichtlich unhaltbar sein soll. Dass die am beschädigten Personenwagen sichergestellten DNA-Spuren keinen Hinweis auf ihn ergeben haben, schliesst den Beschwerdeführer als Täter nicht aus. Entgegen seinem Vorbringen war es ihm zeitlich möglich, zu den Tatorten zu gelangen, da er gemäss den Arbeitsrapporten zu den jeweiligen Tatzeiten nicht arbeitete. Sämtliche Sachbeschädigungen ereigneten sich erst, nachdem er Kenntnis von der neuen Adresse der Beschwerdegegnerin 2 hatte. Er wusste ebenfalls, wo deren ehemaliger Ehemann wohnt, vor dessen Domizil die dritte Sachbeschädigung verübt wurde. Zudem wurden bei keiner Tat fremde Fahrzeuge beschädigt, weshalb die Vorinstanz von einer gezielten Aktion gegen die Beschwerdegegnerin 2 ausgeht. Bei dieser Sachlage ist nicht zu beanstanden, dass die Vorinstanz den Beschwerdeführer als Täter der Sachbeschädigungen erachtet hat, auch wenn das Auto der Beschwerdegegnerin 2 bei der zweiten und dritten Beschädigung nicht an deren Wohnadresse parkiert war. Dass sich die Vorinstanz von rechtlich nicht massgeblichen Gesichtspunkten hätte leiten lassen oder weitere wesentliche Gesichtspunkte nicht berücksichtigt hätte, ist insbesondere unter Berücksichtigung des weiten sachrichterlichen Ermessens nicht ersichtlich. Die Beschwerde ist in diesem Punkt abzuweisen.
5. Die Anträge, die gegen ihn ausgesprochene Freiheitsstrafe von neun Monaten sowie die ihm auferlegten Parteientschädigungen und Verfahrenskosten seien um je ein Fünftel herabzusetzen, begründet der Beschwerdeführer einzig mit dem beantragten Freispruch wegen mehrfacher Sachbeschädigung zum Nachteil der Beschwerdegegnerin 2. Hierauf ist mangels Freispruchs nicht einzugehen.
6. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens sind die Kosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (<ref-law>). Der Beschwerdegegnerin 2 ist keine Entschädigung auszurichten, da ihr vor Bundesgericht keine Umtriebe entstanden sind (<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, 18. September 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Held