Sachverhalt:
A. X._ (geb. 1956) und Z._ (geb. 1970), beides deutsche Staatsangehörige, haben am 23. September 2004 in München (Deutschland) geheiratet. Sie sind die Eltern der Kinder R._ (geb. 2003), S._ (geb. 2004) und T._ (geb. 2006).
B. B.a Am 12. Oktober 2010 leitete der Ehemann beim Bezirksgericht Horgen eine Klage auf Scheidung ein. Die Ehefrau erklärte ihre Zustimmung zur Scheidung. Das Verfahren wurde nach den Vorschriften über die Scheidung auf gemeinsames Begehren weitergeführt.
B.b Mit Schreiben vom 26. Januar 2011 zog X._ seine Eingabe zurück. Hierauf wies das Bezirksgericht das gemeinsame Scheidungsbegehren ab und setzte Z._ eine Frist, um ihr Scheidungsbegehren durch eine Klage zu ersetzen (Urteil und Verfügung vom 27. Januar 2011).
C. C.a Rechtzeitig klagte die Ehefrau vor dem Bezirksgericht Horgen auf Scheidung im Sinne von <ref-law>. Zugleich ersuchte sie um Erlass vorsorglicher Massnahmen. Sie beantragte, die Obhut über die Kinder ihr zuzuteilen, den persönlichen Verkehr zum Vater zu regeln und diesen zur Bezahlung von Kindesunterhalt zu verpflichten. Für sich selbst machte die Ehefrau ebenfalls Unterhaltsansprüche geltend. Weiter verlangte sie, ihr das eheliche Haus und zwei Personenwagen zur alleinigen Benützung zuzusprechen und die Kosten für die Rücksendung der ihr in den Iran nachgesandten Kleider zurückzuerstatten. Überdies stellte sie den Antrag, ihren Ehemann zur Bezahlung eines Prozesskostenvorschuss von Fr. 9'000.-- zu verpflichten.
C.b Am 2. März 2011 beschränkte das Bezirksgericht das Verfahren auf die Frage, ob ein Scheidungsgrund im Sinne von <ref-law> vorliege. Im Lauf des Schriftenwechsels änderte Z._ ihre Massnahmebegehren leicht ab. Ein von ihr gestelltes Gesuch um Erlass superprovisorischer Massnahme wurde am 24. März 2011 abgewiesen.
C.c Mit Urteil vom 19. Juli 2011 wies das Bezirksgericht die Scheidungsklage ab. Gleichzeitig verfügte es, das Begehren um Erlass vorsorglicher Massnahmen werde infolge Gegenstandslosigkeit abgeschrieben (Ziffer 1) und das Begehren betreffend Leistung eines Prozesskostenvorschusses abgewiesen (Ziffer 2).
D. Hierauf erhob Z._ Berufung. In teilweiser Gutheissung des Rechtsmittels hob das Obergericht des Kantons Zürich Ziffer 1 der angefochtenen Verfügung auf und wies die Sache zur Durchführung des Massnahmeverfahrens und zu neuer Entscheidung an das Bezirksgericht zurück. Hinsichtlich des Prozesskostenvorschusses bestätigte es den erstinstanzlichen Entscheid (Urteil vom 16. Dezember 2011).
E. Gegen den obergerichtlichen Rückweisungsentscheid betreffend das Massnahmeverfahren setzt sich nun X._ (fortan "Beschwerdeführer") vor Bundesgericht zur Wehr. In seiner Beschwerde vom 19. Januar 2012 beantragt er, diesen Rückweisungsentscheid aufzuheben und der Beschwerde die aufschiebende Wirkung zuzuerkennen. Z._ (fortan Beschwerdegegnerin) widersetzte sich letzterem Antrag; die Präsidentin der II. zivilrechtlichen Abteilung hiess ihn jedoch gut (Verfügung vom 8. Februar 2012).
Das Bundesgericht hat die kantonalen Akten, in der Sache jedoch keine Vernehmlassungen eingeholt.

Erwägungen:
1. 1.1 Das Bundesgericht überprüft von Amtes wegen und mit freier Kognition, ob eine Beschwerde zulässig ist (<ref-ruling> E. 1 S. 216; <ref-ruling> E. 1 S. 117, je mit Hinweisen). Die Eingabe muss aber auch bezüglich der Eintretensvoraussetzungen hinreichend begründet sein (Art. 42 Abs. 1 und 2 BGG; <ref-ruling> E. 1 S. 121).
1.2 Rechtzeitig (<ref-law>) ficht der Beschwerdeführer den letztinstanzlichen Rechtsmittelentscheid eines oberen kantonalen Gerichts (<ref-law>) an. Streitig ist die Gegenstandslosigkeit eines Begehrens um vorsorgliche Massnahmen während eines Scheidungsverfahrens nach <ref-law>, mithin eine Zivilsache (<ref-law>). Die im Massnahmeverfahren gestellten Anträge betreffen sowohl vermögensrechtliche als auch nicht vermögensrechtliche Fragen. Auf einen Streitwert kommt es für die Zulässigkeit der Beschwerde somit nicht an (Urteil 5A_127/2009 vom 12. Oktober 2009 E. 1.1).
2. 2.1 Das Obergericht hob die erstinstanzliche Abschreibungsverfügung auf und wies die Sache zu neuer Entscheidung an das Bezirksgericht zurück, damit dieses über das Massnahmebegehren der Beschwerdegegnerin befinde. Ein solcher Rückweisungsentscheid schliesst das Verfahren nicht ab. Er ist deshalb kein Endentscheid im Sinne von <ref-law>, sondern ein Zwischenentscheid (Urteil 4A_128/2009 vom 1. Juli 2009 E. 1.3). Dieser selbständig eröffnete Zwischenentscheid betrifft weder die Zuständigkeit noch ein Ausstandsbegehren im Sinne von <ref-law>. Auch enthält der angefochtene Zwischenentscheid keine verbindlichen Anweisungen an die Vorinstanz, so dass er wie ein Endentscheid zu behandeln wäre (<ref-ruling> E. 1.2 S. 138). Vielmehr lässt er das streitige Massnahmeverfahren erst richtig beginnen. Die Beschwerde in Zivilsachen ist somit nur zulässig, wenn das obergerichtliche Urteil entweder einen nicht wieder gutzumachenden Nachteil bewirken kann (<ref-law>) oder wenn die Gutheissung der Beschwerde sofort einen Endentscheid herbeiführen und damit einen bedeutenden Aufwand an Zeit oder Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren ersparen würde (<ref-law>).
2.2 Der Beschwerdeführer macht zunächst geltend, aus dem angefochtenen Entscheid entstehe ihm ein nicht wieder gutzumachender Nachteil im Sinne von <ref-law>. Diesen Nachteil erblickt er darin, dass er sich nach ergangenem Massnahmeentscheid gar nicht mehr dagegen wehren könne, dass die erste Instanz wegen des angefochtenen Entscheids ein unnötiges Verfahren habe durchführen und er sich auf dieses Verfahren habe einlassen müssen.
Nach der bundesgerichtlichen Rechtsprechung muss der nicht wieder gutzumachende Nachteil im Sinne von <ref-law> ein Nachteil rechtlicher Natur sein, der auch durch einen für den Beschwerdeführer günstigen Entscheid in der Zukunft nicht mehr behoben werden kann (<ref-ruling> E. 1.1 S. 328; <ref-ruling> E. 3.1 S. 87 mit Hinweisen). Allein die Tatsache, aufgrund eines Rückweisungsentscheides ein gerichtliches Verfahren - hier das von der Beschwerdegegnerin angestrengte Massnahmeverfahren - durchlaufen zu müssen, stellt indessen keinen solchen rechtlichen Nachteil dar, sondern bringt für den Beschwerdeführer allenfalls Unannehmlichkeiten tatsächlicher Natur mit sich, etwa die Verlängerung oder Verteuerung des Verfahrens (<ref-ruling> E. 5.2.1 S. 483 f.; s. auch Urteil 5A_472/2007 vom 12. November 2007 E. 2.2). Sollte das Massnahmeverfahren für den Beschwerdeführer hingegen ungünstig enden, so könnte er den Einwand, dieses Verfahren sei unnötig bzw. das entsprechende Begehren der Beschwerdegegnerin von Anfang an gegenstandslos gewesen, auch noch in einem allfälligen Rechtsmittelverfahren gegen den Massnahmeentscheid vortragen. Mithin bewirkt der angefochtene Entscheid keinen nicht wieder gutzumachenden Nachteil.
2.3 Als erfüllt erachtet der Beschwerdeführer auch die alternative Voraussetzung gemäss <ref-law>, dass die Gutheissung der Beschwerde sofort einen Endentscheid herbeiführen und damit einen bedeutenden Aufwand an Zeit oder Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren erspart werden könnte.
2.3.1 Wird geltend gemacht, die Voraussetzung nach <ref-law> sei erfüllt, so ist nach der Rechtsprechung zu differenzieren: Geht bereits unzweifelhaft aus dem angefochtenen Urteil oder der Natur der Sache hervor, dass ein bedeutender Aufwand an Zeit oder Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren erforderlich sein wird, darf auf lange Ausführungen verzichtet werden. Andernfalls hat der Beschwerdeführer im Einzelnen darzutun, welche Tatfragen offen und welche weitläufigen Beweiserhebungen in welchem zeit- oder kostenmässigen Umfang erforderlich sind. Zudem hat er unter Aktenhinweisen darzulegen, dass er die betreffenden Beweise im kantonalen Verfahren bereits angerufen oder entsprechende Anträge in Aussicht gestellt hat (<ref-ruling> E. 3.2 S. 292; <ref-ruling> E. 1a S. 92 mit Hinweis; Urteil 4A_48/2010 vom 9. Juli 2010 E. 1.3.2). Ob im Falle einer Gutheissung der Beschwerde ein bedeutender Aufwand an Zeit oder Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren erspart werden kann, prüft das Bundesgericht nach freiem Ermessen (BGE <ref-ruling> E. 1a S. 92; Urteil 4A_48/2010 vom 9. Juli 2010 E. 1.3.3).
2.3.2 Im vorliegenden Fall könnte das Bundesgericht mit der Gutheissung der Beschwerde zwar sofort einen Endentscheid herbeiführen, bliebe es diesfalls doch dabei, dass das Begehren der Beschwerdegegnerin um Erlass vorsorglicher Massnahmen infolge Gegenstandslosigkeit abgeschrieben wird. Dass damit ein bedeutender Aufwand an Zeit oder Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren erspart bliebe, ergibt sich jedoch weder aus der Natur der Sache noch aus dem angefochtenen Urteil. Zunächst ergehen vorsorgliche Massnahmen während des Scheidungsverfahrens regelmässig im summarischen Verfahren; dieses kennt naturgemäss kein weitläufiges Beweisverfahren, zumal schon die zulässigen Beweismittel beschränkt und die erheblichen Tatsachen lediglich glaubhaft zu machen sind (<ref-ruling> E. 2b/ bb S. 478 und Urteil 5A_704/2010 vom 5. November 2010 E. 1.4). Inwiefern gerade im hier streitigen Massnahmeverfahren trotzdem ein aufwendiges, kostspieliges oder zeitraubendes Beweisverfahren erforderlich wäre, lässt das angefochtene Urteil auch nicht ohne weiteres erkennen. Mithin liegt nicht auf der Hand, dass die erwähnte Voraussetzung erfüllt ist. Unter diesen Umständen müsste der Beschwerdeführer konkret darlegen, welche Tatsachen ungeklärt und welche aufwendigen Beweiserhebungen unabdingbar sind (E. 2.3.1). Dieser Begründungsanforderung genügt er offensichtlich nicht, denn er gibt sich damit zufrieden, den Wortlaut von <ref-law> zu wiederholen.
3. Im Ergebnis erweist sich die Beschwerde als unzulässig. Das Bundesgericht kann also nicht auf sie eintreten. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (<ref-law>). Da die Beschwerdegegnerin sich gegen die Erteilung der aufschiebenden Wirkung gewehrt hat, in diesem Punkt aber unterlegen ist und sich zur Hauptsache nicht zu vernehmen hatte, ist ihr keine Parteientschädigung geschuldet (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Auf die Beschwerde wird nicht eingetreten.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 30. März 2012
Im Namen der II. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Hohl
Der Gerichtsschreiber: V. Monn