Sachverhalt:
A. An einem nicht mehr genau feststellbaren Tag im Zeitraum von April 2005 bis April 2006 übernachtete Y._ (geboren am xxx), eine Freundin der Tochter von X._, in dessen Wohnung in Zürich im Kinderzimmer. Weil sie über Rückenschmerzen klagte, massierte X._ das auf dem Bauch liegende Mädchen vor dem Einschlafen während ungefähr 10 Minuten am Rücken respektive am Kreuz. Zum Abschluss der Massage strich er Y._ mit den Händen unter der Pyjamahose etwa fünf- bis sechsmal über ihr Gesäss und die Oberschenkel.
B. Das Bezirksgericht Frauenfeld sprach X._ am 10. März 2011 wegen dieses Vorfalls der sexuellen Handlung mit einem Kind und der Schändung sowie wegen weiterer Vorkommnisse der mehrfachen (teilweise versuchten) sexuellen Handlungen mit Kindern, der sexuellen Nötigung, der Schändung und der mehrfachen Pornografie schuldig. Das Bezirksgericht verurteilte X._ zu einer Freiheitsstrafe von 30 Monaten, unter Anrechnung von 58 Tagen Untersuchungshaft. Es erklärte die Freiheitsstrafe im Umfang von 15 Monaten für vollziehbar und gewährte X._ für den Rest den bedingten Strafvollzug bei einer Probezeit von fünf Jahren. Es verpflichtete ihn, sich während des Strafvollzugs und der Probezeit einer ambulanten psychiatrischen Behandlung gemäss den Anordnungen des Straf- und Massnahmenvollzugs zu unterziehen.
X._ erhob Berufung beim Obergericht des Kantons Thurgau und beantragte, er sei in Bezug auf den Vorfall mit Y._ im Kinderzimmer seiner Wohnung von den Vorwürfen der sexuellen Handlung mit einem Kind und der Schändung freizusprechen. Er sei zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 24 Monaten zu verurteilen bei einer Probezeit von fünf Jahren und zu verpflichten, sich während der Probezeit einer ambulanten psychiatrischen Behandlung zu unterziehen.
Das Obergericht des Kantons Thurgau wies am 10. Oktober 2011 die Berufung ab und bestätigte das Urteil des Bezirksgerichts.
C. Gegen das Urteil des Obergerichts führt X._ Beschwerde in Strafsachen und beantragt, er sei in Bezug auf den Vorfall mit Y._ im Kinderzimmer vom Vorwurf der Schändung freizusprechen. Der Beschwerde sei die aufschiebende Wirkung zu erteilen.
D. Die Generalstaatsanwaltschaft des Kantons Thurgau beziehungsweise die Staatsanwaltschaft Frauenfeld verzichtet auf eine Vernehmlassung. Das Obergericht des Kantons Thurgau beantragt die Abweisung der Beschwerde und verweist auf den angefochtenen Entscheid.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung von <ref-law>. Die Vorinstanz bejahe zu Unrecht eine Widerstandsunfähigkeit.
1.1 Nach <ref-law> macht sich der Schändung schuldig, wer eine urteilsunfähige oder eine zum Widerstand unfähige Person in Kenntnis ihres Zustandes zum Beischlaf, zu einer beischlafsähnlichen oder anderen sexuellen Handlung missbraucht.
1.2 Als widerstandsunfähig gilt nach konstanter Rechtsprechung, wer nicht im Stande ist, sich gegen ungewollte sexuelle Kontakte zu wehren. <ref-law> schützt Personen, die einen zur Abwehr ausreichenden Willen zum Widerstand gegen sexuelle Übergriffe nicht oder nicht sinnvoll bilden, äussern oder betätigen können. Dabei genügt, dass das Opfer vorübergehend zum Widerstand unfähig ist. Die Gründe für die Widerstandsunfähigkeit können dauernder oder vorübergehender, chronischer oder situationsbedingter Natur sein. Erforderlich ist, dass die Widerstandsfähigkeit gänzlich aufgehoben ist (<ref-ruling> E. 7.2 S. 56; <ref-ruling> E. 3a S. 232). Subjektiv ist vorsätzliches Handeln erforderlich, wobei Eventualvorsatz genügt.
1.3 Die Vorinstanz geht mit der ersten Instanz davon aus, dass der vorliegende Sachverhalt mit dem in <ref-ruling> beurteilten Fall vergleichbar ist. Wie die Geschädigte im genannten Entscheid - eine Patientin während einer physiotherapeutischen Behandlung - habe Y._ auf dem Bauch liegend eine Massage am Rücken erwartet. Aufgrund dieser besonderen Körperlage sei es ihr nicht möglich gewesen, den Übergriff des Beschwerdeführers rechtzeitig zu erkennen. Sie sei widerstandsunfähig gewesen, weil sie sich gegen die überraschende Massage am Gesäss und an den Oberschenkeln nicht habe zur Wehr setzen können. Der Beschwerdeführer habe diese Wehrlosigkeit ausgenützt, indem er dem Mädchen unter der Pyjamahose mit seinen Händen fünf- bis sechsmal über das Gesäss und die Oberschenkel gefahren sei. Damit habe er den objektiven Tatbestand von <ref-law> erfüllt. Indem er die Widerstandsunfähigkeit der sich in der Bauchlage befindenden Geschädigten erkannt und sich dennoch entschlossen habe, das Kind in dieser Körperlage am Gesäss und an den Oberschenkeln zu massieren, habe er vorsätzlich gehandelt (Entscheid, S. 11 f.).
1.4 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz habe die ihm zur Last gelegte Handlung in undifferenzierter Weise dem in <ref-ruling> beurteilten Sachverhalt gleichgesetzt, bei welchem tatsächlich ein Missbrauch von Widerstandsunfähigkeit im Sinne von <ref-law> vorliege. Der in jenem Fall beschuldigte Physiotherapeut habe einer nackt auf dem Bauch liegenden Patientin bei einer Massage mit einem oder zwei Fingern in die Vagina gegriffen, sich mit seinem Oberkörper über die Patientin gelehnt und sie auf ihre linke Halsseite geküsst. Die völlig überrumpelte Patientin habe sich während ein paar Sekunden gegen die ungewollte sexuelle Handlung nicht zur Wehr setzen können. Würde man der Ansicht der Vorinstanz im vorliegenden Fall folgen, wäre bei jeder Berührung eines Masseurs etwas unterhalb des Steissbeins einer Patientin der Tatbestand von <ref-law> erfüllt. Auch wäre bei jedem Griff an das Gesäss einer Frau, ob sie auf dem Bauch liege oder möglicherweise dem Täter nur den Rücken zudrehe, nicht nur von einer sexuellen Belästigung, sondern sogleich von einer Schändung auszugehen. Dies könne nicht richtig sein. Bezeichnenderweise habe die erste Instanz den Vorfall, bei dem er der Geschädigten im Hallenbad Altstetten von hinten an deren Brüste gegriffen haben solle, als er ihr beim Zusammenbinden des Bikinioberteils geholfen habe, nicht zusätzlich zum Vorwurf der sexuellen Handlung mit einem Kind auch noch als Schändung gewertet (Beschwerde, S. 4 f.).
1.5 Die Geschädigte konnte aufgrund ihrer Bauchlage nicht erkennen, dass sich der Beschwerdeführer gegen Ende der Massage am Rücken respektive am Kreuz dazu anschickte, mit den Händen über ihr Gesäss und die Oberschenkel zu streichen. Zudem war sie durch die Bauchlage in ihrer Bewegungsfreiheit erheblich eingeschränkt, wodurch eine rasche Reaktion auf den Übergriff des Beschwerdeführers stark erschwert war. Schliesslich durfte sie aufgrund der gesamten Umstände davon ausgehen, dass der Beschwerdeführer sie lediglich am Rücken beziehungsweise am Kreuz massieren würde. Unter diesen Gegebenheiten waren die Möglichkeiten der Geschädigten, einen zur Abwehr der sexuellen Handlungen ausreichenden Willen zum Widerstand zu betätigen, derart eingeschränkt, dass eine vollständige Widerstandsunfähigkeit zu bejahen ist. Dass diese nur eine vorübergehende war, ist unerheblich. Der Beschwerdeführer nutzte die Widerstandsunfähigkeit aus. Damit ist der objektive Tatbestand von <ref-law> erfüllt. Der Beschwerdeführer erfüllte auch den subjektiven Tatbestand, da er die sich aus den Umständen ergebende Widerstandsunfähigkeit der Geschädigten erkannte und sich dennoch entschloss, diese durch die inkriminierte Handlung auszunützen.
Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers ist der vorliegende Fall hinsichtlich der Widerstandsunfähigkeit mit dem in <ref-ruling> beurteilten Sachverhalt vergleichbar, befanden sich doch die Geschädigten aufgrund ihrer Körperlage und des Vertrauens darauf, dass eine Massage nicht ihre sexuelle Integrität tangieren würde, in ähnlicher Weise in einer Situation des Ausgeliefertseins. Darin besteht ein Unterschied zur Konstellation, in welcher der Beschwerdeführer der Geschädigten beim Zusammenbinden ihres Bikinioberteils im Hallenbad an die Brüste fasste. Bei diesem Vorfall stand das Überraschungsmoment im Vordergrund und nicht das Ausnützen einer vorbestehenden Widerstandsunfähigkeit.
2. Auf den Antrag des Beschwerdeführers, bei einer Veröffentlichung des vorliegenden Entscheides seien die Namen der Parteien zu anonymisieren, ist nicht weiter einzugehen, da das Bundesgericht praxisgemäss eine Anonymisierung vornimmt (siehe <ref-law>). Soweit der Beschwerdeführer die Anonymisierung der Rechtsvertreter beantragt, legt er ein rechtlich geschütztes Interesse nicht dar. Darauf ist nicht einzutreten.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens sind die Kosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (<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 Thurgau schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 8. November 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Adamczyk