Sachverhalt:
A. Im Winter 2001/2002 nahm der 1966 geborene X._ im Bluewin-Chat "Kidstalk" Kontakt zur noch nicht 12-jährigen Y._ auf und gab sich als 14-jähriger, in der Folge als 17-jähriger Bursche aus. Y._ verliebte sich in ihn. X._ und das Mädchen begannen sich SMS zu senden. Ab Herbst 2002 liess X._ den "17-jährigen A._" an einem Tumor erkranken und sterben, wobei er sich in der Schlussphase des Sterbens als Onkel von "A._" ins Spiel einbrachte. Zuvor liess sich der "Sterbende" von Y._ mit der Begründung, die Sehkraft zu verlieren, Fotos in Unterwäsche schicken und sandte ihr ein Paket mit einem Vibrator und einer mit Sperma befleckten Unterhose. Ca. Mitte März 2003 teilte X._ Y._ den Tod von "A._" mit. Das Mädchen erfuhr in diesem Zusammenhang, dass es sich bei "A._" in Wirklichkeit um X._, d.h. um einen rund 36- resp. 37-jährigen Mann, handelte. Im Zeitraum von April bis Dezember 2003 kam es zwischen diesem und der zwischenzeitlich 13- bzw. 14-jährigen Y._ zu 15 Treffen mit sexuellen Handlungen. Diese reichten von Zungenküssen und Berührungen der Brust- und Schamgegend über Manipulationen des männlichen Glieds bis zum mehrfachen Oralverkehr (in den Mund nehmen des Penis) und zur mehrfachen Penetration der Vagina durch X._ mit einem bzw. (einmal) drei Fingern.
B. Das Bezirksgericht Laufenburg sprach X._ am 12. Mai 2011 der mehrfachen sexuellen Handlungen mit einem Kind und der mehrfachen sexuellen Nötigung schuldig. Vom Vorwurf der Vergewaltigung sprach es ihn frei. Es bestrafte X._ mit einer Freiheitsstrafe von 3 1⁄2 Jahren (unter Anrechnung der eintägigen Untersuchungshaft), ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an und verpflichtete X._ zur Bezahlung von Schadenersatz von Fr. 290.-- und einer Genugtuung von Fr. 20'000.--.
Das Obergericht des Kantons Aargau sprach X._ in teilweiser Gutheissung der Berufung am 23. Februar 2012 vom Vorwurf der mehrfachen sexuellen Nötigung frei. Im Übrigen wies es die Berufung ab. Es sprach ihn der mehrfachen sexuellen Handlungen mit einem Kind schuldig, verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren (unter Anrechnung der Untersuchungshaft von einem Tag), ordnete eine ambulante Behandlung ohne Strafaufschub an und bestätigte die erstinstanzliche Regelung der Zivilfolgen.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das obergerichtliche Urteil vom 23. Februar 2012 sei aufzuheben und die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen. Eventualiter sei er in teilweiser Aufhebung des obergerichtlichen Urteils mit einer Freiheitsstrafe von maximal 24 Monaten zu bestrafen, wobei der Vollzug der Strafe aufzuschieben und eine Probezeit von zwei Jahren anzusetzen sei. (Sub-)eventualiter sei die Strafe teilbedingt auszusprechen und der zu vollziehende Teil auf maximal 12 Monate festzulegen. Von einer Massnahme nach <ref-law> sei abzusehen. Eventualiter sei der Vollzug der Freiheitsstrafe zu Gunsten einer solchen Massnahme aufzuschieben.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer rügt, die vorinstanzliche Strafzumessung verstosse gegen <ref-law> und sei willkürlich. Die ausgefällte Strafe von 2 1⁄2 Jahren sei unter Verletzung der massgeblichen Strafzumessungsgrundsätze zu hoch ausgefallen. Unter Berücksichtigung insbesondere seiner Geständigkeit, Reue und Einsicht sowie seines Wohlverhaltens seit beinahe 9 Jahren sei angesichts des als eher leicht einzustufenden Verschuldens eine Freiheitsstrafe von 14 Monaten, maximal eine solche von 24 Monaten angemessen (Beschwerde, S. 5 ff.).
1.1 Das Bundesgericht hat die Grundsätze der Strafzumessung nach <ref-law> wiederholt dargelegt (<ref-ruling> E. 5.4 ff. mit Hinweisen; <ref-ruling> E. 2.1 S. 19 f. mit Hinweisen).
1.2 Die Vorinstanz qualifiziert das Eindringen in die Vagina mit drei Fingern als die gravierendste der vorgenommenen sexuellen Handlungen im Rahmen von <ref-law>. Sie stuft das Verschulden als mittelschwer ein. Ausgehend vom ordentlichen Strafrahmen des Straftatbestands von Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder Geldstrafe setzt sie die Einsatzstrafe auf 2 1⁄2 Jahre fest. Aufgrund der weiteren sexuellen Handlungen, u.a. mehrfacher Oralverkehr, erhöht sie diese Strafe um ein Jahr auf eine Gesamtstrafe von 3 1⁄2 Jahren. Die Täterkomponente (insbesondere Geständigkeit, Reue und Einsicht etc.) wirkt sich nach Auffassung der Vorinstanz im Ergebnis zu Gunsten des Beschwerdeführers aus, wobei sie dessen Vorstrafenlosigkeit als neutral und die Strafempfindlichkeit als durchschnittlich bewertet. Die Strafminderung veranschlagt die Vorinstanz mit einem Jahr. Im Ergebnis fällt sie eine Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren aus (Entscheid, S. 18 ff.).
1.3 Der Beschwerdeführer hat die ihm vorgeworfenen Tathandlungen von April bis Dezember 2003 begangen. Bis zum Urteil der Vorinstanz waren rund 8 Jahre und zwei resp. drei Monate vergangen. Die Vorinstanz war deshalb nicht gehalten, den Strafmilderungsgrund von <ref-law> anzuwenden (Entscheid, S. 20; so aber Beschwerde, S. 7, 8 unten f.). Sie durfte die verstrichene Zeit und das Wohlverhalten ohne Bundesrechtsverletzung (lediglich) strafmindernd berücksichtigen (Entscheid, S. 18; vgl. <ref-ruling> E. 6.2; Urteile 6B_1065/2010 vom 31. März 2011 E. 1.9.2 und 6S.51/2006 vom 15. Mai 2006 E. 6.2.3.1 ff.).
1.4 Die Tathandlungen, insbesondere die vaginale Penetration mit drei Fingern und der mehrfache Oralverkehr, gehören im breiten Spektrum der Handlungsweisen von <ref-law> keineswegs mehr zum Bagatellbereich. Sie sind richtiger Ansicht nach gravierend (Entscheid, S. 18, 19; siehe aber Beschwerde, S. 7). Oraler Verkehr und das Eindringen mit mehreren Fingern in die Vagina können für das Opfer eine grundsätzlich vergleichbare sexuelle Intensität wie Geschlechtsverkehr aufweisen (vgl. <ref-ruling>20 E. 2.5).
1.5 Ausgehend von der Tatschwere nimmt die Vorinstanz zutreffend ein mittelschweres Verschulden an. Ohne Bundesrechtsverletzung berücksichtigt sie dabei den Altersunterschied von etwas mehr als 23 Jahren zwischen dem Beschwerdeführer und dem Opfer, dessen Verliebtheit und weitgehende sexuelle Unerfahrenheit, die Umstände der Kontaktaufnahme zum Opfer unter Vorspiegelung falscher Tatsachen (Legende mit dem kranken Neffen "A._") sowie die Tatsache, dass der Beschwerdeführer die Gefühle des Opfers ausnützte und sein Handeln auf sexuelle Befriedigung ausgerichtet war. Nicht ersichtlich ist, inwiefern die Berücksichtigung des egoistischen Motivs der eigenen (Trieb-)Befriedigung unsinnig sein und gegen die Bestimmungen der Strafzumessung verstossen sollte (Beschwerde, S. 7). Dass das Opfer im Zeitpunkt der Vornahme der sexuellen Handlungen über die Identität und das Alter des Beschwerdeführers aufgeklärt war, lässt das täuschende Verhalten durch Letzteren strafzumessungsrechtlich nicht als bedeutungslos erscheinen, da die Täuschung die Kontaktaufnahme mit dem Opfer zumindest förderte. Im Übrigen stellt die Vorinstanz zu Gunsten des Beschwerdeführers in Rechnung, dass er "eine Art Beziehung" mit dem Opfer führte (Entscheid, S. 18; Beschwerde S. 7).
1.6 Die Vorinstanz würdigt die Täterkomponente bundesrechtskonform. Die damals schwierige persönliche und familiäre Situation des Beschwerdeführers steht nach ihren zutreffenden Ausführungen in keinem erklärbaren, strafzumessungsrechtlich relevanten Zusammenhang mit den sexuellen Handlungen mit einem Kind. Die Vorinstanz musste diese Situation bei der Strafzumessung nicht berücksichtigen und hatte keinen Anlass, in den Urteilserwägungen näher darauf einzugehen (Entscheid, S. 19). Inwiefern sie das rechtliche Gehör des Beschwerdeführers verletzt haben könnte (Beschwerde, S. 10), ist nicht ersichtlich. In Bezug auf die Strafempfindlichkeit (Entscheid, S. 19; Beschwerde, S. 9) weist die Vorinstanz mit Recht darauf hin, dass die Verbüssung einer längeren Freiheitsstrafe für jeden, der in ein günstiges berufliches und/oder familiäres Umfeld eingebettet ist, eine gewisse Härte darstellt. Als unmittelbare gesetzmässige Folge einer unbedingten Freiheitsstrafe muss dies nur bei aussergewöhnlichen Umständen strafmindernd berücksichtigt werden (Urteil 6B_169/2011 vom 8. Juni 2011 E. 3.4.2, s. auch Urteil 6B_470/2009 vom 23. November 2009 E. 5 mit zahlreichen Hinweisen). Solche Umstände sind hier nicht erkennbar. Die vom Beschwerdeführer sinngemäss angeführten Belastungen betreffend Familie und berufliche Integration gehen nicht in aussergewöhnlichem Masse über die mit einem Strafvollzug verbundene Einschränkung hinaus (Beschwerde, S. 9). Es ist deshalb nicht zu beanstanden, dass die Vorinstanz keine besondere Strafempfindlichkeit annimmt. Dass sie schliesslich einzelne Kriterien (wie Geständigkeit, Reue und Einsicht) weniger stark gewichtet, als es der Beschwerdeführer für richtig hält (Beschwerde, S. 8), macht die Strafzumessung nicht bundesrechtswidrig.
1.7 Die Strafzumessung hält insgesamt vor Bundesrecht stand. Die Vorinstanz berücksichtigt sämtliche relevanten Strafzumessungskriterien. Ihre Erwägungen und die daraus gezogenen Schlüsse sind nachvollziehbar. Die Einsatzstrafe von 2 1⁄2 Jahren für die als schwerste Tathandlung gewürdigte vaginale Penetration mit drei Fingern ist ausgehend vom ordentlichen Strafrahmen bis zu fünf Jahren Freiheitsstrafe in Anbetracht des mittelschweren Verschuldens des Beschwerdeführers nicht zu hoch. Angesichts der Summe und Schwere der weiteren Handlungen ist auch die Erhöhung der Einsatzstrafe um ein Jahr nicht zu beanstanden. Die Freiheitsstrafe von 3 1⁄2 Jahren reduziert die Vorinstanz aufgrund der überwiegend günstigen täterbezogenen Aspekte ohne Ermessensverletzung um ein Jahr. Die im Ergebnis ausgefällte Strafe von 2 1⁄2 Jahren hält sich auch bei einer Gesamtbetrachtung innerhalb des weiten sachrichterlichen Ermessens.
2. Nach dem Dafürhalten des Beschwerdeführers verletzen die vorinstanzliche Anordnung der ambulanten Massnahme und die Nichtgewährung des Strafaufschubs Verfassungs- und Bundesrecht (Beschwerde, S. 11 ff.).
2.1 Gemäss <ref-law> ist eine Massnahme anzuordnen, wenn eine Strafe allein nicht geeignet ist, der Gefahr weiterer Straftaten des Täters zu begegnen (lit. a), wenn ein Behandlungsbedürfnis des Täters besteht oder die öffentliche Sicherheit dies erfordert (lit. b) und wenn die Voraussetzungen der Art. 59-61 oder 64 StGB erfüllt sind (lit. c). Die Anordnung einer Massnahme setzt voraus, dass der mit ihr verbundene Eingriff in die Persönlichkeitsrechte des Täters im Hinblick auf die Wahrscheinlichkeit und Schwere weiterer Straftaten nicht unverhältnismässig ist (<ref-law>). Ist der Täter psychisch schwer gestört, so kann das Gericht gemäss <ref-law> anordnen, dass er nicht stationär, sondern ambulant behandelt wird, wenn (lit. a) der Täter eine mit Strafe bedrohte Tat verübt, die mit seinem Zustand in Zusammenhang steht und (lit. b) zu erwarten ist, dadurch lasse sich der Gefahr weiterer mit dem Zustand des Täters in Zusammenhang stehender Taten begegnen. Das Gericht kann den Vollzug einer zugleich ausgesprochenen Freiheitsstrafe zu Gunsten einer ambulanten Behandlung aufschieben, um der Art der Behandlung Rechnung zu tragen (<ref-law>). Dabei ist auch unter dem neuen Recht vom Ausnahmecharakter des Strafaufschubs auszugehen. Eine ambulante Massnahme und entsprechend der damit verbundene mögliche Aufschub der Strafe bedürfen einer besonderen Rechtfertigung (Urteil 6B_724/2008 vom 19. März 2009 E. 3.2.3 mit Hinweis auf <ref-ruling> E. 4.1 und 4.3).
2.2 Die Vorinstanz ordnete vollzugsbegleitend eine ambulante Behandlung des Beschwerdeführers an (Entscheid, S. 21 f.). Sie stützt sich auf das Gutachten der psychiatrischen Klinik B._ vom 24. September 2010 (act. 218 ff.). Danach leidet der in seiner Schuldfähigkeit nicht beeinträchtigte Beschwerdeführer (act. 260, 262) an einer deliktskausalen leichten psychosexuellen Entwicklungsstörung. Es zeige sich eine Diskrepanz zwischen real und virtuell gelebter Sexualität. Nach aussen hin erscheine der Beschwerdeführer als ruhiger, zurückhaltender und sexuell eher gehemmter Mann. In eklatantem Widerspruch dazu stehe die sehr deutliche und aggressive Sexualität beim "Chatten" (act. 255, 259, 263). Es bestehe ein erhöhtes Risiko weiterer Sexualstraftaten. Diesem Risiko könne mit einer ambulanten störungs- und deliktspezifischen Therapie begegnet werden. Die Behandlung sei bei gleichzeitigem Strafvollzug durchführbar (act. 261 f., act. 264).
2.3 Unbegründet ist die Rüge der Gehörsverletzung gemäss <ref-law> (Beschwerde, S. 3-5). Aus den Akten ergibt sich, dass dem Beschwerdeführer sowohl das Gutachten vom 24. September 2010 als auch die "Chatprotokolle" (kantonale Akten, act. 46 ff.) je separat zur Akteneinsicht zugestellt wurden und ihm ausdrücklich die Möglichkeit eingeräumt wurde, eine Ergänzung der Untersuchung zu beantragen (kantonale Akten, act. 197, act. 208 ff.). Damit erhielt der Beschwerdeführer auch die Gelegenheit, zu den fraglichen Dokumenten Stellung zu nehmen (kantonale Akten, act. 197, act. 208 ff.). Dass sich die Vorinstanz im Rahmen der Massnahmeanordnung zum - aktenwidrigen - Einwand des Beschwerdeführers, er habe sich zu den Chatprotokollen und dem Gutachten nie äussern können, nicht ausspricht, führt nicht dazu, dass der angefochtene Entscheid als verfassungswidrig aufgehoben werden müsste.
2.4 Der Beschwerdeführer beanstandet das Gutachten vom 24. September 2010. Die Ausführungen der Sachverständigen, namentlich ihre aus dem Testverfahren "Multiphasic Sex Inventory" (MSI) gezogenen Schlüsse zur psychischen Störung, Deliktskausalität, Behandelbarkeit und Legalprognose, seien "ungenügend", "nicht nachvollziehbar" und mangels Vorliegen der entsprechenden Testunterlagen "nicht überprüfbar". Die Vorinstanz gehe bei der Massnahmeanordnung willkürlich und in Verletzung des rechtlichen Gehörs von einem offensichtlich unrichtigen Sachverhalt aus (Beschwerde, S. 11 ff., insbesondere S. 19 ff). Der Beschwerdeführer trägt diese Vorbringen erstmals im Verfahren vor Bundesgericht vor. Er legt nicht dar, weshalb erst der vorinstanzliche Entscheid hierfür Anlass gegeben haben soll (<ref-law>). Dies ist auch nicht ersichtlich, nachdem bereits die erste Instanz gestützt auf das Gutachten vom 24. September 2010 eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme über den Beschwerdeführer anordnete. Dieser hätte die Mangelhaftigkeit des Gutachtens deshalb bereits im Verfahren vor Vorinstanz vortragen können und müssen. Das tat er nicht (vgl. kantonale Akten, Berufungsbegründung, S. 34 und 35). Seine tatsächlichen Vorbringen, womit er nachträglich belegen will, dass die Vorinstanz das Gutachten willkürlich würdigte, sind neu und damit unzulässig (<ref-ruling> ff.; Urteil 4A_36/2008 vom 18. Februar 2008 E. 4.1). Zudem verstösst sein Vorgehen gegen den Grundsatz von Treu und Glauben (Urteil 6B_336/2009 vom 8. Juli 2009 E. 4.4 mit weiteren Hinweisen). Seine Einwendungen haben im vorliegenden Verfahren unbeachtlich zu bleiben.
2.5 Die Vorinstanz durfte sowohl die Behandlungsfähigkeit als auch die Behandlungsbedürftigkeit des Beschwerdeführers gestützt auf das Gutachten vom 24. September 2010 bejahen. Sie durfte gestützt darauf ebenfalls von einer rechtserheblichen Rückfallgefahr weiterer Sexualstraftaten ausgehen sowie davon, dass eine ambulante Massnahme die psychische Störung des Beschwerdeführers positiv zu beeinflussen und die ungünstige Legalprognose zu verbessern vermöchte. Der Umstand, dass der Beschwerdeführer seit den strafbaren Handlungen im Jahre 2003 strafrechtlich nicht mehr in Erscheinung getreten ist, ist in das Gutachten eingeflossen (act. 222, 253, 260) und vermag die festgestellte Rückfallgefahr für sich nicht in Frage zu stellen (Beschwerde, S. 20 f.), weil die deliktskausale psychische Störung mangels angemessener störungs- und deliktsspezifischer Behandlung nach wie vor besteht. Die Anordnung der ambulanten Massnahme ist bundesrechtskonform.
Entsprechendes gilt für die Nichtgewährung des Strafaufschubs. Die Gutachter bejahen die Frage, ob der Art der Behandlung auch bei gleichzeitigem Strafvollzug Rechnung getragen werden könne. Ein vorheriger Strafvollzug erscheine nicht zweckmässig, da mit der Behandlung auch in Haft begonnen werden könne (act. 261, 264). Die Antwort im Gutachten fällt zwar knapp, aber eindeutig aus. Dass durch den Strafvollzug aktuelle und günstige Bewährungsaussichten zunichte gemacht oder erheblich vermindert würden, ist nicht ersichtlich und macht der Beschwerdeführer auch nicht geltend. Auch wenn sich im angefochtenen Entscheid zur Frage des Strafaufschubs keine ausdrücklichen Ausführungen finden, ergibt sich aus den Urteilserwägungen im Zusammenhang mit der vollzugsbegleitenden Anordnung der Massnahme, dass die Vorinstanz auch die diesbezüglichen Überlegungen der Sachverständigen übernimmt und ihrer Rechtsanwendung zugrunde legt. Eine Verletzung von <ref-law> und des Anspruchs auf rechtliches Gehör liegt nicht vor (Beschwerde, S. 22).
3. Nach der bundesgerichtlichen Rechtsprechung bedeutet die Anordnung einer Massnahme zugleich eine ungünstige Prognose, so dass eine gleichzeitig ausgefällte Strafe nicht bedingt gemäss Art. 42 oder teilbedingt gemäss <ref-law> aufgeschoben werden kann. Dies gilt auch, wenn eine ambulante Massnahme ausgesprochen wird (<ref-ruling> E. 2.3; ferner Urteil des Bundesgerichts 6B_1048/2010 vom 6. Juni 2011 E. 2 mit Hinweisen). Die Frage, ob die ausgefällte Strafe von 2 1⁄2 Jahren auf 2 Jahre zu reduzieren ist, damit ein vollbedingter Vollzug in Frage kommt (Beschwerde, S. 9 f.), wird folglich hinfällig. Im Übrigen gelangt die vom Beschwerdeführer angerufene Rechtsprechung des Bundesgerichts (<ref-ruling> E. 3.6) ohnehin nur zur Anwendung, wenn die ausgefällte Strafe im Grenzbereich zum vollbedingten Strafvollzug liegt, was bei einem Strafmass von 30 Monaten (welches die gesetzliche Obergrenze für den vollbedingten Vollzug um sechs Monate übersteigt) nicht der Fall ist.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Der Beschwerdeführer hat die Kosten zu tragen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 4'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Aargau, Strafgericht, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 8. Oktober 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Arquint Hill