Sachverhalt:
A. Das Kreisgericht X Thun verurteilte X._ am 28. Juni 2005 unter anderem wegen mehrfacher sexueller Handlungen mit Kindern zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren und neun Monaten, welche es zugunsten einer stationären Massnahme aufschob.
X._ wurde am 3. April 2008 bedingt aus dem Massnahmenvollzug entlassen. Die Probezeit betrug drei Jahre.
B. Das Regionalgericht Oberland verurteilte X._ am 5. Januar 2012 wegen mehrfacher sexueller Handlungen mit Kindern und unter Einbezug der obgenannten Strafe zu einer Gesamtfreiheitsstrafe von fünf Jahren sowie einer stationären Massnahme. Zudem ordnete es die Rückversetzung an (Art. 62a Abs. 1 lit. a und b StGB).
Das Obergericht des Kantons Bern bestätigte am 13. Februar 2013 den erstinstanzlichen Schuldspruch sowie die Rückversetzung und setzte die Freiheitsstrafe auf 15 Monate fest, weil die Voraussetzungen für eine Gesamtstrafe nicht erfüllt waren.
Dem Schuldspruch liegt folgender Sachverhalt zugrunde:
X._ baute zum Opfer ein Vertrauensverhältnis auf. Er rieb am 21. April 2009 mit seinem erigierten Penis am Geschlechtsteil des damals 11-jährigen Mädchens und berührte es mit den Händen an den Beinen, den Armen und am Bauch. Gleichentags hielt er seinen erigierten Penis an die Füsse des Opfers. In der Zeit von März 2009 bis August 2009 rieb X._, als er bei der Familie des Opfers übernachtete, weniger als zehn Mal beim "Gutenachtsagen" seinen erigierten Penis über der Hose bzw. Unterhose des Mädchens an dessen Geschlechtsteil. Einmal berührte er es mit seinem erigierten Penis am Geschlechtsteil, als sie zusammen am Computer arbeiteten.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt im Hauptpunkt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und er sei von der Anschuldigung der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern freizusprechen.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer kritisiert die tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz in mehrfacher Hinsicht. Er rügt eine willkürliche (einseitige) Beweiswürdigung zugunsten des Opfers und eine Verletzung der Maxime "in dubio pro reo" (<ref-law>). Die Vorinstanz habe sein rechtliches Gehör verletzt (<ref-law>), indem sie seine Beweisanträge abgewiesen habe.
1.1 Dem Grundsatz "in dubio pro reo" kommt in der vom Beschwerdeführer angerufenen Funktion als Beweiswürdigungsregel im Verfahren vor dem Bundesgericht keine über das Willkürverbot von <ref-law> hinausgehende selbständige Bedeutung zu (<ref-ruling> E. 7 S. 81 f. mit Hinweisen; zur Willkür vgl. <ref-ruling> E. 7.1 S. 51 mit Hinweisen).
1.2 Die Vorinstanz wies den Antrag ab, den Beschwerdeführer erneut zu befragen, da er mehrfach einvernommen und die Beweise umfassend erhoben worden seien (Urteil S. 6).
Der Beschwerdeführer macht geltend, anlässlich der erstinstanzlichen Urteilsverkündung sei er mit Bewertungen und angeblichen Sachverhaltsfeststellungen konfrontiert worden, welche über eine erneute Einvernahme hätten geklärt werden müssen.
Das reicht nicht aus, um eine Gehörsverletzung zu begründen. Dazu hätte er angeben müssen, welche konkreten Aussagen er hätte machen wollen und inwiefern sich so das Beweisergebnis zu seinen Gunsten verändert hätte.
Das reicht nicht aus, um eine Gehörsverletzung zu begründen. Dazu hätte er angeben müssen, welche konkreten Aussagen er hätte machen wollen und inwiefern sich so das Beweisergebnis zu seinen Gunsten verändert hätte.
1.3 1.3.1 Der Beschwerdeführer beanstandet, die Vorinstanz beurteile die Aussagen des Opfers als glaubhaft, ohne sie zu hinterfragen. Seine Aussagen seien demgegenüber zu seinen Ungunsten interpretiert und nicht objektiv gewürdigt worden. Es könne ihm nicht vorgeworfen werden, er habe sich erneut in eine Situation begeben, in welcher das Thema Kindsmissbrauch aktuell gewesen sei. Die Vorinstanz blende einseitig aus, dass nicht sein Verhalten, sondern jenes der Mutter des Opfers weltfremd sei. Diese habe im Verfahren gegen den Vater erkannt, dass sie Geld erhalte, wenn ihre Tochter Opfer geworden sei. Die Mutter habe den Beschwerdeführer bei ihrer Familie verweilen lassen, obwohl sie von seiner Vorgeschichte gewusst habe.
Die Vorinstanz würdigt die Aussagen des Beschwerdeführers ausführlich, sorgfältig sowie unvoreingenommen und beurteilt sie zusammengefasst als teilweise widersprüchlich und im Kerngeschehen weniger glaubhaft als jene des Opfers. Er bestreite jeden Übergriff, bestätige jedoch die Eckpunkte der Anschuldigungen bzw. die möglichen Übergriffsorte ("Gutnachtritual", steifes Glied, kitzeln und berühren zwischen den Beinen, Übernachtung bei der Familie der eigenen Mutter). Er schiebe einen Teil der Verantwortung auf das Opfer ab, und versuche es und dessen Mutter schlecht zu machen. Es gebe mehrere Gründe für eine Falschaussage des Beschwerdeführers. Er wiederhole stereotyp, er sei an erwachsenen Frauen interessiert und habe nur helfen wollen (Urteil S. 30 ff.). Die Mutter des Opfers habe zum Kerngeschehen wenig sagen können, was dagegen spreche, dass sie ihre Tochter beeinflusst habe. Sie habe ehrlich ausgesagt, den Beschwerdeführer nicht übermässig belastet oder schlecht gemacht (Urteil S. 28 ff.).
Die Vorbringen des Beschwerdeführers lassen die vorinstanzliche Beweiswürdigung nicht als willkürlich erscheinen. Im Übrigen sagt das Verhalten der Mutter nichts darüber aus, ob ihre Aussagen glaubhaft sind (vgl. Urteil 6B_692/2011 vom 9. Februar 2012 E. 1.4 mit Hinweis auf <ref-ruling> E. 4.3 S. 45). Die Rüge ist unbegründet.
1.3.2 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz beachte die Vergangenheit des Opfers nicht genügend. Es sei für das Opfer einfach, bezüglich sexueller Übergriffe zu lügen. Unter Hinweis auf (psychologische) Fachliteratur führt er aus, das Opfer habe nach Aufmerksamkeit und einer Bezugsperson gesucht, welche es in ihm gefunden habe. Das Mädchen rekonstruiere die Erlebnisse mit ihm, indem es aufgrund seiner traumatisierten Vergangenheit auf sexuelle Misshandlungen zurückgreife. Es habe von den Delikten des Beschwerdeführers erfahren und bewerte die rein freundschaftlichen Erlebnisse anders. Es sei nicht auszuschliessen, dass sich das Opfer wegen seiner Therapie in etwas hineingesteigert habe.
Die Vorinstanz erwägt, der Missbrauch durch den Vater des Opfers sei wesentlich gravierender gewesen, als die Vorwürfe gegen den Beschwerdeführer. Während der Vater seine Tochter anal und vaginal penetriert habe, habe das Opfer bei den Übergriffen durch den Beschwerdeführer von "ein wenig aglängt" gesprochen. Demnach habe das Opfer zwischen den verschiedenen Missbrauchserlebnissen unterschieden und die Vorfälle mit dem Vater nicht auf den Beschwerdeführer projiziert (Urteil S. 35 ff.). Damit ist die Willkürrüge offensichtlich unbegründet.
1.3.3 Der Beschwerdeführer beanstandet, das Opfer sei von seiner Mutter beeinflusst worden. Darauf ist nicht einzutreten, weil sich der Beschwerdeführer nicht mit der vorinstanzlichen Begründung auseinandersetzt (vgl. Urteil S. 36).
1.4 Der Beschwerdeführer bringt vor, die Vorinstanz habe seinen Antrag auf ein aussagepsychologisches Gutachten des Opfers abgewiesen und damit sein rechtliches Gehör verletzt (<ref-law>). Gemäss <ref-law> seien Sachverständige beizuziehen, wenn dem Gericht besondere Kenntnisse und Fähigkeiten fehlten, welche nötig seien, um den Sachverhalt festzustellen oder zu beurteilen. Das Opfer sei von seinem Vater über Jahre sexuell missbraucht worden. Die allgemeine Lebenserfahrung reiche nicht aus, um die Aussagen eines 11-jährigen, traumatisierten Kindes zu würdigen.
1.4.1 Das Prüfen der Glaubhaftigkeit von Aussagen ist Teil der Beweiswürdigung und gehört damit zum Aufgabenbereich des Gerichts. Eine Begutachtung durch eine sachverständige Person drängt sich nur bei besonderen Umständen auf. Dies ist etwa der Fall, wenn schwer interpretierbare Äusserungen eines Kleinkinds zu beurteilen sind, bei Anzeichen ernsthafter geistiger Störungen, welche die Aussageehrlichkeit des Zeugen beeinträchtigen könnten, oder wenn Anhaltspunkte dafür bestehen, dass der Zeuge durch Drittpersonen beeinflusst wird (vgl. <ref-ruling> E. 2.4 S. 184 mit Hinweisen). Dem Richter steht bei der Frage, ob aufgrund der konkreten Umstände eine Begutachtung notwendig ist oder nicht, ein Ermessensspielraum zu (Urteil 6B_681/2012 vom 12. März 2013 E. 3.2 mit Hinweis).
1.4.2 Die Vorinstanz erwägt, angesichts der zweimaligen fachgerechten, auf Video aufgezeichneten Befragungen des Opfers würden keine besonderen Umstände vorliegen, die ein aussagepsychologisches Gutachten rechtfertigten (Urteil S. 6). Das Opfer sei bei der Befragung für eine 11 1⁄2-Jährige normal entwickelt und intelligent gewesen. Es habe das Geschehen differenziert beschrieben, sich einer altersgerechten Sprache bedient und klar geäussert, was passiert sei und was nicht (Urteil S. 35). Seine Aussagen seien demnach ohne kinderspezifische Fachkenntnisse zu verstehen gewesen. Auch hat die Vorinstanz ausgeschlossen, dass das Mädchen durch seine Mutter beeinflusst wurde (Urteil S. 29, S. 36).
Bei dieser Ausgangslage durfte die Vorinstanz in willkürfreier antizipierter Beweiswürdigung den Antrag ablehnen, ein Gutachten einzuholen. Sie hat ihr Ermessen nicht verletzt (vgl. <ref-ruling> E. 5.3 S. 236 mit Hinweisen).
1.5 Der Beschwerdeführer rügt, das forensisch-psychiatrische Gutachten vom 18. November 2010 beinhalte Formulierungen und Denkansätze, welche die Unschuldsvermutung verletzten. Er habe als Teilaspekt des Gehörsanspruchs das Recht, objektiv durch eine sachverständige Person begutachtet zu werden.
Die Vorinstanz führt aus, der Gutachterin sei jederzeit klar gewesen, dass der Beschwerdeführer die Vorwürfe von sich gewiesen und jegliche pädosexuelle Orientierung verneint habe. Begutachtungen von nicht geständigen Personen seien normal und unterlägen wie jedes andere Beweismittel der freien Beweiswürdigung. Die Schlussfolgerungen der Expertin stellten keine Vorverurteilung dar. Mängel im Sinne von <ref-law> lägen nicht vor (Urteil S. 6).
Dem ist zuzustimmen. Aus dem Gutachten wie auch den vorinstanzlichen Erwägungen ergibt sich klar, dass die Schlussfolgerungen der Gutachterin unter der Hypothese erfolgten, der Beschwerdeführer habe die ihm vorgeworfenen Delikte begangen. Damit erfüllt das Gutachten die Anforderungen von <ref-law> und <ref-law>.
2. Der Beschwerdeführer erachtet die Anordnung der stationären Massnahme für unverhältnismässig und bundesrechtswidrig (<ref-law> und <ref-law>). Einerseits sei die Massnahme mangels diagnostizierter Persönlichkeitsstörung nicht geeignet, ihren Zweck zu erreichen und die Legalprognose zu verbessern. Geeignet und milder sei es, die ambulante Therapie weiterzuführen, welche er freiwillig begonnen habe. Andererseits sei die Massnahme angesichts der Freiheitsstrafe von 15 Monaten und der Untersuchungs- und Sicherheitshaft von nahezu drei Jahren unzumutbar und unverhältnismässig.
2.1 Gemäss dem psychiatrischen Gutachten leidet der Beschwerdeführer unter einer kombinierten Persönlichkeitsstörung mit vorwiegend abhängigen aber auch emotional-instabilen (Borderline-)Anteilen sowie Pädophilie (Gutachten S. 25 ff., S. 33).
Damit liegt eine psychische Störung vor, welche im Rechtssinne als schwer zu bezeichnen ist. Auch hängt diese mit den Delikten zusammen (<ref-law>). Der Hinweis des Beschwerdeführers, wonach im Zusatzgutachten keine Persönlichkeitsstörung diagnostiziert worden sei, geht fehl. Einerseits konnten die meisten Tests nicht ausgewertet werden, andererseits wurden die Ergebnisse im Hauptgutachten berücksichtigt.
2.2 Die Gutachterin attestiert dem Beschwerdeführer unter den Lebensbedingungen, wie sie bis zur Inhaftierung bestanden, ein hohes Rückfallrisiko. Derzeit sei nur eine intensive stationäre Therapie geeignet, dem Risiko weiterer Delikte zu begegnen. Rückblickend habe die ambulante Therapie den Rückfall nicht verhindern können (Gutachten S. 32 f.). Gestützt darauf erachtet die Vorinstanz das Behandlungsbedürfnis des Beschwerdeführers zu Recht als erstellt (<ref-law>).
In Anbetracht der hohen Rückfallgefahr ist nicht zu beanstanden, wenn die Vorinstanz das Bedürfnis der Öffentlichkeit nach Sicherheit stärker gewichtet als die Freiheit des Beschwerdeführers (<ref-law>).
2.3 Die Vorinstanz geht mit der Gutachterin von der Behandelbarkeit der psychischen Störung (Art. 56 Abs. 1 lit. c i.V.m. <ref-law>) ebenso wie von der grundsätzlichen Kooperationsbereitschaft des Beschwerdeführers aus, wobei eine Behandlung auch gegen seinen Willen langfristig erfolgversprechend sei (Gutachten S. 31, S. 35). Diese Beurteilung ist nicht zu beanstanden.
2.4 Die Vorinstanz erachtet die stationäre Massnahme auch unter Berücksichtigung der bereits absolvierten Massnahme und der ausgestandenen Haft als verhältnismässig. Kinder seien besonders schützenswert, weshalb ein wesentliches Sicherheitsbedürfnis der Öffentlichkeit bestehe. Der Beschwerdeführer sei während der Probezeit einschlägig rückfällig geworden, womit es sich nicht um ein einmaliges Vergehen handle (Urteil S. 52).
Der Beschwerdeführer verbrachte mehr als vier Jahre im stationären Massnahmenvollzug, jedoch stand dabei die Persönlichkeitsstörung im Zentrum. Heute ist gemäss Gutachten davon auszugehen, dass eine pädosexuelle Orientierung als eigenständiger Problembereich besteht, weshalb eine Therapie, welche sich mit der sexuellen Orientierung/Sexualdelinquenz auseinandersetzt, die schlechte Legalprognose verbessern kann (Gutachten S. 32 f.). Deshalb erweist sich die Massnahme nach <ref-law> als verhältnismässig.
2.5 Die Anordnung der stationären Massnahme ist nicht zu beanstanden (vgl. zum Ganzen: Urteil 6B_596/2011 vom 19. Januar 2012 E. 3.2 MIT HINWEISEN).
3. Der Beschwerdeführer beantragt eine Entschädigung infolge Überhaft, sollte seine Beschwerde im Hauptpunkt abgewiesen werden. Die bisherige Untersuchungs- und Sicherheitshaft übersteige die Strafe von 15 Monaten und könne nicht auf die stationäre Massnahme angerechnet werden.
Der Beschwerdeführer erhebt dieses Begehren erstmals vor Bundesgericht, was unzulässig ist (<ref-law>). Die Untersuchungs- und Sicherheitshaft des Beschwerdeführers überstieg die erstinstanzliche Freiheitsstrafe bereits im Zeitpunkt, als er seine Anträge vor der Vorinstanz stellte. Folglich hätte er im vorinstanzlichen Verfahren neben einer Genugtuung gemäss <ref-law>, für den Fall eines Schuldspruchs eine Entschädigung nach <ref-law> beantragen können bzw. müssen. Die Frage, ob eine Überhaft an eine Massnahme i.S.v. <ref-law> anzurechnen ist (vgl. WEHRENBERG/BERNHARD, in: Basler Kommentar, Strafprozessrecht, 2011, N. 25 zu <ref-law>), kann demnach offen gelassen werden.
4. Der Beschwerdeführer beantragt, auch im Falle der Abweisung seiner Beschwerde sei er per sofort aus der Sicherheitshaft zu entlassen. Darauf kann nicht eingetreten werden, weil die Haftentlassung nicht Gegenstand des vorinstanzlichen Urteils ist.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann.
Mit dem Entscheid im Hauptpunkt werden die übrigen Anträge gegenstandslos.
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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Bern, Strafabteilung, 1. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 27. Mai 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Das präsidierende Mitglied: Schneider
Die Gerichtsschreiberin: Andres