Sachverhalt:
A. A._ alarmierte am 18. September 2006 die kantonale Notrufzentrale in Frauenfeld und meldete, sie sei soeben von ihrem Ehemann X._ geschlagen worden und habe fluchtartig die Wohnung verlassen müssen. Im Zuge der Ermittlungen gab sie an, ihr Ehemann habe sie schon bald nach der Hochzeit Ende Oktober 1993 wiederholt tätlich angegriffen und zum Beischlaf gezwungen. Zudem habe er die gemeinsamen Kinder B._, C._, D._, E._ und F._ mehrfach geschlagen.
B. Das Obergericht des Kantons Thurgau sprach X._ am 27. Juni 2011 zweitinstanzlich der mehrfachen Vergewaltigung (Anklageziffer 1), der mehrfachen einfachen Körperverletzung sowie der mehrfachen Drohung zum Nachteil der Ehefrau (Anklageziffer 2) und der Verletzung der Fürsorge- und Erziehungspflicht zum Nachteil der Kinder (Anklageziffer 3) schuldig. Das Verfahren wegen mehrfacher Körperverletzung zum Nachteil der Kinder stellte es ein. Es verurteilte X._ zu einer Freiheitsstrafe von fünf Jahren.
C. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, es sei das angefochtene Urteil aufzuheben und die Sache zur neuen Beurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.

Erwägungen:
1. Soweit der Beschwerdeführer sinngemäss eine Verletzung des Anklagegrundsatzes rügt, erweist sich die Beschwerde (S. 13) als unbegründet. Nach konstanter Rechtsprechung des Bundesgerichts führen kleinere Ungenauigkeiten in den Orts- und Zeitangaben nicht zur Unbeachtlichkeit der Anklage (statt vieler Urteile 6B_432/2011 vom 26. Oktober 2011 E. 2.2 sowie 6B_320/2010 vom 7. Juni 2010 E. 2.3). Dem Beschwerdeführer wird in der Anklageschrift vorgeworfen, seine Ehefrau in der Zeit von Ende Oktober 1993 bis zum 17. September 2006 mindestens einmal pro Monat in der ehelichen Wohnung an der G._strasse 4 in H._ zur Duldung des Geschlechtsverkehrs gezwungen zu haben. Dass das Ehepaar erst ab 1997 an dieser Adresse in H._ (und vorher an einer anderen in derselben Gemeinde; vgl. kantonale Akten, act. 60) wohnte, ändert an der genügenden örtlichen Konkretisierung des Tatvorwurfs nichts. Mit der in der Anklageschrift vorgenommenen ausdrücklichen Eingrenzung des Vergewaltigungsvorwurfs auf das eheliche Domizil erweist sich die örtliche Umschreibung des Tatvorwurfs als hinreichend präzis, was eine Individualisierung der Taten erlaubt und die nicht korrekte Angabe der Wohnadresse für die Zeit ab Ende Oktober 1993 bis Ende 1996 als unerheblich erscheinen lässt (Beschwerde, S. 5 ff.).
2. 2.1 Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz in Bezug auf den Schuldspruch der mehrfachen Vergewaltigung eine willkürliche Beweiswürdigung (<ref-law>), eine Verletzung der Unschuldsvermutung (<ref-law>, Art. 6 Ziff. 2 EMRK) und der Garantie auf eine gerechte Behandlung (<ref-law>, Art. 6 EMRK) sowie einen Verstoss gegen das rechtliche Gehör (<ref-law>) vor. Entgegen der Vorinstanz habe er über ein blosses Bestreiten hinaus Stellung zum Vergewaltigungsvorwurf genommen. Bei fehlender Lust der Beschwerdegegnerin 2 habe er seine Aktivitäten nicht begonnen oder eingestellt. Er habe in der Familie kein durch Gewalt geprägtes Umfeld geschaffen. Es treffe daher auch nicht zu, dass es im Laufe der Zeit keiner besonderen Gewaltanwendung zur Erzwingung des Beischlafs mehr bedurfte, um den Widerstand der Beschwerdegegnerin 2 zu brechen.
2.2 Soweit sich der Beschwerdeführer auf seine Ansprüche auf gerechte Behandlung (<ref-law>, Art. 6 EMRK) und rechtliches Gehör (<ref-law>) beruft, begründet er nicht, inwiefern diese verfassungsmässigen Rechte verletzt sein könnten (Art. 42 Abs. 2, 106 Abs. 2 BGG). Solche Verletzungen sind auch nicht ersichtlich. Auf die Beschwerde ist insoweit nicht einzutreten.
2.3 Willkür im Sinne von <ref-law> liegt nach ständiger Rechtsprechung vor, wenn der angefochtene Entscheid auf einer schlechterdings unhaltbaren oder widersprüchlichen Beweiswürdigung beruht, eine Norm oder einen unumstrittenen Rechtsgrundsatz krass verletzt oder in stossender Weise dem Gerechtigkeitsgedanken zuwiderläuft (<ref-ruling> E. 2.2.2 mit Hinweisen). Dem Grundsatz "in dubio pro reo" kommt in seiner 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. 2a; <ref-ruling> E. 2a; je mit Hinweisen).
2.4 Nach der Auffassung der Vorinstanz hat sich der Beschwerdeführer im Wesentlichen darauf beschränkt, die Vergewaltigungsvorwürfe pauschal abzustreiten. Die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 seien hingegen in sich stimmig, konstant und detailliert. Es sei davon auszugehen, dass ihre Schilderungen auf tatsächlich Erlebtem beruhen. Für die Glaubhaftigkeit ihrer Darstellung sprächen überdies ihre Gefühlsäusserungen (Weinen, bitter Auflachen). Die Beschwerdegegnerin 2 vermöge zwischen einvernehmlichem und erzwungenem Sex zu differenzieren. Sie behaupte nicht, in den Ehejahren zum Geschlechtsverkehr stets gezwungen worden zu sein. Nach ihren Schilderungen sei ihr Intimleben manchmal durchaus normal gewesen, und es sei vorgekommen, dass sie mit dem Beschwerdeführer habe schlafen wollen (Entscheid, S. 12-17).
2.4 Nach der Auffassung der Vorinstanz hat sich der Beschwerdeführer im Wesentlichen darauf beschränkt, die Vergewaltigungsvorwürfe pauschal abzustreiten. Die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 seien hingegen in sich stimmig, konstant und detailliert. Es sei davon auszugehen, dass ihre Schilderungen auf tatsächlich Erlebtem beruhen. Für die Glaubhaftigkeit ihrer Darstellung sprächen überdies ihre Gefühlsäusserungen (Weinen, bitter Auflachen). Die Beschwerdegegnerin 2 vermöge zwischen einvernehmlichem und erzwungenem Sex zu differenzieren. Sie behaupte nicht, in den Ehejahren zum Geschlechtsverkehr stets gezwungen worden zu sein. Nach ihren Schilderungen sei ihr Intimleben manchmal durchaus normal gewesen, und es sei vorgekommen, dass sie mit dem Beschwerdeführer habe schlafen wollen (Entscheid, S. 12-17).
2.5 2.5.1 Die Vorinstanz legt unter Hinweis auf die Ausführungen im erstinstanzlichen Urteil (S. 14-21) vertretbar dar, weshalb die Aussagen des Beschwerdeführers nicht überzeugen und die Sachverhaltsschilderungen der Beschwerdegegnerin 2 glaubhaft sind. Der Beschwerdeführer setzt sich zum Teil nur rudimentär mit dem angefochtenen Entscheid auseinander. Auf seine appellatorischen Einwände, mit welchen er lediglich seine abweichende Sicht und Wertung der Dinge darlegt, ist nicht einzugehen (beispielsweise Beschwerde, S. 7 ff., wonach seine Aussagen zu den praktizierten Verhütungsmöglichkeiten, ausgetauschten Zärtlichkeiten etc. aufzeigen würden, dass er die Vergewaltigungsvorwürfe nicht pauschal bestritten habe; Beschwerde, S. 12, wonach die Gefühlsäusserungen der Beschwerdegegnerin 2 genauso gut von den körperlichen Misshandlungen herrühren könnten). Seine weiteren Vorbringen vermögen keine Willkür zu begründen. Ausgehend von seinen Aussagen, es sei vorgekommen, dass die Scheide der Beschwerdegegnerin 2 trocken gewesen sei, sie nach dem Geschlechtsverkehr wiederholt geweint und über Schmerzen im Unterleib geklagt habe, durfte die Vorinstanz entgegen den Einwänden des Beschwerdeführers willkürfrei darauf schliessen, er habe eine allfällige Unlust der Beschwerdegegnerin 2 nicht als Verweigerungsgrund gelten lassen. Im Übrigen ist unerheblich, aus welchem Grund die Beschwerdegegnerin 2 keinen Geschlechtsverkehr haben wollte. <ref-law> schützt als Spezialtatbestand der sexuellen Nötigung (<ref-ruling> E. 7b; <ref-ruling> E. 2a) die sexuelle Freiheit (<ref-ruling> E. 3a). Wesentlich ist nur, dass sich der Täter über den entgegenstehenden Willen der Frau hinwegsetzt und den Beischlaf erzwingt. Dass die Beschwerdegegnerin 2 nach ihrem inneren Empfinden die Duldung des Beischlafs als eheliche Pflicht angesehen haben mag, legt nicht den Schluss nahe, sie habe ihren Widerstand gegen aussen nicht erkennbar zum Ausdruck gebracht (vgl. Beschwerde, S. 13).
2.5.2 Die Beschwerdegegnerin 2 sagte aus, sie habe vielfach den Geschlechtsverkehr gegen ihren Willen über sich ergehen lassen müssen. Sie habe sich nicht wehren können, weil der Beschwerdeführer stärker als sie sei. Sie habe zusätzlich Angst gehabt, er würde sie schlagen, wenn sie sich noch mehr wehren würde. Beim Geschlechtsverkehr gegen ihren Willen habe sie der Beschwerdeführer an den Armen festgehalten, auf das Bett oder den Boden gedrückt und ihre zusammengehaltenen Beine gespreizt, so dass sie sich nach anfänglichem Widerstand nicht mehr habe wehren können. Er habe das lustig gefunden und gelacht (Urteil, S. 13/14). Die Vorinstanz berücksichtigt zur Begründung des Schuldspruchs wegen mehrfacher Vergewaltigung zudem die häusliche Gewalt, welche der Beschwerdeführer praktizierte, und den dadurch auf der Beschwerdegegnerin 2 lastenden psychischen Druck. Der Beschwerdeführer gab zu, die Beschwerdegegnerin 2 wiederholt körperlich misshandelt zu haben (Beschwerde, S. 5 und 12). Diese erlitt beim letzten Vorfall vom 18. September 2006 eine Kieferprellung, einen Bluterguss und eine Halswirbeltorsion (Entscheid, S. 10). Der Beschwerdeführer anerkannte den Schuldspruch der mehrfachen einfachen Körperverletzung zum Nachteil seiner Ehefrau (Entscheid, S. 10; Beschwerde, S. 5). Die Vorinstanz durfte vor diesem Hintergrund ohne Willkür davon ausgehen, der Beschwerdeführer habe durch diese wiederholten Gewalttätigkeiten ein Klima der Angst und Unsicherheit geschaffen und in dieser gewaltgeprägten Atmosphäre im Laufe der Zeit keine besondere Gewalt mehr anwenden müssen, um den Beischlaf mit der Beschwerdegegnerin 2 zu erzwingen (Entscheid, S. 13).
2.5.3 Die Aussagen der befragten Kinder sind nicht geeignet, den rechtserheblichen Sachverhalt zu erstellen, welcher dem Vorwurf der mehrfachen Vergewaltigung zugrunde liegt. Sie sind für das engere Tatgeschehen und die Frage, welche Gewalt der Beschwerdeführer für die Erzwingung des Beischlafs aufwenden musste bzw. wie es um die Widerstandsfähigkeit der Beschwerdegegnerin 2 stand, von vornherein nicht zielführend. Die vorinstanzliche Schlussfolgerung, es habe zu Hause ein Klima der Gewalt und Angst geherrscht, ergibt sich unabhängig von den Aussagen der Kinder ohne Willkür bereits aus den übrigen Beweismitteln. Es kann daher offen bleiben, ob die Beschwerdegegner 3-5 - wie der Beschwerdeführer erstmals vor Bundesgericht vorbringt - anlässlich der Videobefragung vom 17. Januar 2007 (kantonale Akten, act. 95-103) korrekt auf ihr Aussageverweigerungsrecht hingewiesen wurden (Beschwerde, S. 11), und wie es sich diesbezüglich mit seinem Konfrontationsanspruch verhält (Beschwerde, S. 11).
2.5.4 Weder das Anzeigeverhalten der Beschwerdegegnerin 2 noch der Umstand, dass sie die Vergewaltigungen Aussenstehenden gegenüber während der Ehe nicht erwähnte (Beschwerde, S. 6, 14) und auch im Eheschutzverfahren nicht thematisierte (Beschwerde, S. 12), vermögen ihre Glaubwürdigkeit und die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen zu schmälern. Die Beschwerdegegnerin 2 sagte aus, sie habe sich für diese Situation geschämt und deshalb niemandem davon erzählt. Die Vorinstanz durfte auch diese Aussagen ohne Willkür als glaubhaft erachten. Es ist bekannt, dass Opfer von häuslicher Gewalt oder Sexualdelinquenz unter Umständen über das Vorgefallene - sei es aus Scham, Furcht oder Schuldgefühlen - lange nicht sprechen können und keine Anzeige erstatten (vgl. Entscheid, S. 10). Ebenso wenig vermag die vom Beschwerdeführer aus dem Zusammenhang gerissene Aussage der Beschwerdegegnerin 2, sie habe nach dem Vorfall vom 18. September 2006 "viele Stimmen" gehört, ihre Fähigkeit in Frage zu stellen, Ereignisse richtig wahrzunehmen und wiederzugeben (Beschwerde, S. 12). Die Beschwerdegegnerin 2 beschrieb damit lediglich ihre momentane Aufregung über das Vorgefallene, was nachvollziehbar ist.
3. 3.1 Ebenfalls kein Erfolg ist der Beschwerde beschieden, soweit sie sich gegen den Schuldspruch der Verletzung der Erziehungs- und Fürsorgepflicht (<ref-law>) wendet. Der Beschwerdeführer gestand ein, er habe die Kinder mit den Händen, dem Gürtel oder einer Rute regelmässig geschlagen. Die Züchtigungen hätten Rötungen auf der Haut hinterlassen und Teil einer von ihm gewählten Erziehungsmethode gebildet (Entscheid, S. 19 f., 23). Die Kinder haben nach den von der Vorinstanz willkürfrei als glaubhaft beurteilten Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 ausserdem mitbekommen, wie die Mutter geschlagen wurde, und sie haben die Züchtigungen der Geschwister mitansehen müssen (Entscheid, S. 21). Mit seinem auf Dauer angelegten, gewaltgeprägten Verhalten schuf der Beschwerdeführer zu Hause nach der willkürfreien Auffassung der Vorinstanz eine Atmosphäre der Angst und Gewalt, welcher die Kinder schutzlos ausgesetzt waren. Ein solches Klima gefährdet die ungestörte seelische und körperliche Entwicklung von Kindern. Der Schuldspruch verletzt kein Bundesrecht.
3.2 Der Beschwerdeführer bringt vor, die Beschwerdegegnerin 2 habe seinen Erziehungsstil mitgetragen und die Kinder ebenfalls, selbst wenn er nicht anwesend gewesen sei, geschlagen. Sie sei deshalb namentlich in Bezug auf die inkriminierte Straftat im Sinne von <ref-law> keine Zeugin, sondern Beschuldigte. Ihre Zeugenaussagen seien nicht verwertbar (Beschwerde, S. 15). Der Einwand überzeugt nicht. Die Vorinstanz würdigt die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 unter Berücksichtigung des familiären Kontexts kritisch und mit der gebotenen Zurückhaltung. Sie weist darauf hin, dass sich an der Glaubhaftigkeit der Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 nichts änderte, selbst wenn sie hinsichtlich der Straftat gemäss <ref-law> nicht als Zeugin einvernommen worden wäre (Entscheid, S. 16). Ob gegen die Beschwerdegegnerin 2 diesbezüglich zu Recht kein Strafverfahren eingeleitet wurde, bildet nicht Gegenstand des vorliegenden Verfahrens.
4. Den Antrag auf Freispruch vom Vorwurf der mehrfachen Drohung (Art. 180 Abs. 1 und 2 lit. a StGB) begründet der Beschwerdeführer nicht (vgl. Beschwerde, S. 5 und 16). Darauf ist nicht einzutreten (Art. 42 Abs. 2, Art. 106 Abs. 2 BGG).
5. Der Beschwerdeführer bringt abschliessend vor, die Staatsanwaltschaft habe eine Freiheitsstrafe von vier Jahren beantragt. Sie vertrete den Strafanspruch des Staates. Ihre Anträge dürften nur überschritten werden, wenn hierfür triftige Gründe bestünden. Die Vorinstanz erwähne solche Gründe mit keinem Wort, obwohl sie wie die erste Instanz eine Strafe von fünf Jahren ausspreche. Sie verletze damit § 153 StPO/TG (Beschwerde, S. 15). Das Vorbringen geht an der Sache vorbei. Nach § 153 der Strafprozessordnung des Kantons Thurgau, welche hier noch anwendbar ist (siehe Art. 453 Abs. 1 StPO; erstinstanzlicher Entscheid datiert vom 13. Dezember 2010), ist das Gericht an die rechtliche Würdigung des Tatbestands durch die Staatsanwaltschaft und an deren Strafanträge nicht gebunden. Die Zumessung der schuldangemessenen Strafe ergibt sich ausserdem aus Bundesrecht (<ref-law>). Dass die Vorinstanz die Grundsätze der Strafzumessung nicht richtig anwendete, sie sich von unmassgeblichen Gesichtspunkten bei der Festsetzung der Strafe leiten liess und die massgeblichen Zumessungsgründe nicht bundesrechtskonform würdigte, macht der Beschwerdeführer nicht geltend.
6. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist infolge Aussichtslosigkeit der Beschwerde abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG). Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen (<ref-law>).

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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Thurgau schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 23. Februar 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Arquint Hill