Sachverhalt:
A. X._ soll am 1. September 2009, um ca. 03.10 Uhr, die am 25. April 1989 geborene A._, welche nach der Maturitätsfeier zum Wohnhaus einer Kollegin unterwegs war, mit einem abgebrochenen Flaschenhals gezwungen haben, mit ihm in eine nahe gelegene Parkanlage zu gehen. Dort habe er sie unter Todesdrohungen zum Beischlaf genötigt. Am 17. September 2009, um ca. 00.05 Uhr, soll er die sich auf dem Heimweg befindliche B._, geboren am 23. September 1984, am Oberkörper gepackt, ihr ein Messer gegen den Hals gehalten, sich mit ihr zu einem in der Nähe gelegenen Schulhofareal begeben und sie dort unter Todesdrohungen zum Geschlechtsverkehr gezwungen haben. Überdies soll X._ die als Prostituierte tätige C._ am 16. April 2009 im Bereich der rechten Augenbraue in das Gesicht gebissen haben, als sie den einvernehmlichen Geschlechtsakt nach den vereinbarten 15 Minuten beenden wollte und aufgrund seines zunehmend aggressiven Verhaltens um Hilfe rief. Schliesslich werden dem Beschwerdeführer Widerhandlungen gegen das Betäubungsmittelgesetz zur Last gelegt.
B. Das Bezirksgericht Zürich sprach X._ am 6. April 2011 wegen mehrfacher qualifizierter Vergewaltigung (Anklage HD und ND1), einfacher Körperverletzung (Anklage ND 2) und Übertretung des Betäubungsmittelgesetzes (Anklage ND 3 b) schuldig. Vom Vorwurf der mehrfachen Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz (Anklage ND 3 a) sprach es ihn frei. In Bezug auf den Vorwurf des geringfügigen Diebstahls (ND 2) stellte das Bezirksgericht das Verfahren ein. Es bestrafte X._ mit einer Freiheitsstrafe von 12 Jahren, unter Anrechnung der Polizei-, Untersuchungs- und Sicherheitshaft, und büsste ihn mit 500 Franken.
Das Obergericht des Kantons Zürich wies mit Urteil vom 24. Oktober 2011 die auf den Strafpunkt beschränkte Berufung X._s ab und bestätigte die vom Bezirksgericht Zürich ausgefällte Freiheitsstrafe von 12 Jahren.
C. X._ wendet sich mit Beschwerde in Strafsachen an das Bundesgericht. Er beantragt, das obergerichtliche Urteil vom 24. Oktober 2011 sei aufzuheben und die Sache zur Einholung eines psychiatrischen Gutachtens betreffend Feststellung seiner reduzierten Schuldfähigkeit sowie zur Neubeurteilung der Strafzumessung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Eventualiter sei die Urteilsdispositivziffer 1 des obergerichtlichen Urteils insofern abzuändern, als das Strafmass auf maximal 8 Jahre, eventuell eine andere Dauer nach richterlichem Ermessen, herabzusetzen sei. Überdies sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz verletze Art. 19 und 20 StGB, indem sie seine psychische Gesundheit nicht durch eine sachverständige Begutachtung abgeklärt habe. Die Vorkommnisse in seiner Kindheit und Jugend in Gambia erschienen aussergewöhnlich und lägen massgeblich ausserhalb des Normalen. Als 12-Jähriger habe er sich nachts schlafend in den Busch begeben und Selbstgespräche geführt. Als 14-Jähriger habe er an Malaria gelitten und seine Grossmutter mit Stockschlägen verletzt. Im Militär habe er die Waffe auf einen Vorgesetzten gerichtet, weshalb er als behandlungsbedürftig erachtet und einer Art Gesprächstherapie, unterstützt durch Medikamente, zugeführt worden sei. Zudem sei er als Kind von einem Dorfältesten missbraucht worden und infolge regelmässigen Cannabiskonsums seit dem 13. Lebensalter drogenabhängig. In seiner Lebensgeschichte bestünden mithin hinreichende Anhaltspunkte für psychiatrisch relevante Auffälligkeiten, die bei richtiger Betrachtungsweise Zweifel an seiner vollen Schuldfähigkeit wecken müssten (Beschwerde, S. 10-26).
1.2 Nach <ref-law> ordnet das Gericht eine sachverständige Begutachtung an, wenn ernsthafter Anlass besteht, an der Schuldfähigkeit des Täters zu zweifeln. Der Richter darf seine Zweifel nicht selber beseitigen, etwa indem er psychiatrische Fachliteratur beizieht, sondern er muss einen Sachverständigen beiziehen. <ref-law> gilt nicht nur, wenn der Richter tatsächlich Zweifel an der Schuldfähigkeit hat, sondern auch, wenn er nach den Umständen des Falls ernsthafte Zweifel haben sollte (<ref-ruling> E. 3.3 S. 147 f.; <ref-ruling> E. 5.1 S. 37 f.; <ref-ruling> E. 2a S. 123; <ref-ruling> E. 4a S. 273 ff.; je mit Hinweisen). Indessen genügt nicht jede geringfügige Herabsetzung der Fähigkeit, sich zu beherrschen, um verminderte Schuldfähigkeit anzunehmen. Die Geistesverfassung des Betroffenen muss in hohem Masse in den Bereich des Abnormen fallen und von jener der durchschnittlichen Verbrechensgenossen abweichen, weil der Begriff des "normalen Menschen" nicht eng zu fassen ist (BGE <ref-ruling> E. 4a und b). Die Notwendigkeit, einen Sachverständigen beizuziehen, ist erst gegeben, wenn Anzeichen vorliegen, die geeignet sind, Zweifel hinsichtlich der vollen Schuldfähigkeit zu wecken, wie etwa ein Widerspruch zwischen Tat und Täterpersönlichkeit oder völlig unübliches Verhalten. Zeigt das Verhalten des Täters vor, während und nach der Tat, dass ein Realitätsbezug erhalten war, dass er sich an wechselnde Erfordernisse der Situation anpassen bzw. auf eine Gelegenheit zur Tat warten konnte, so hat eine schwere Beeinträchtigung nicht vorgelegen (<ref-ruling> E. 3.3. S. 147 f. mit Hinweisen).
1.3 Die Vorinstanz setzt sich im angefochtenen Entscheid mit der Biographie und den Lebensumständen des Beschwerdeführers auseinander. Die Vorfälle aus seiner Kindheit und das Geschehen im Militär, welches im Hinblick auf die verhängte milde Sanktion ("waffenloser Dienst für zwei bis drei Monate") nicht als erheblich einzustufen sei, stünden gestützt auf die eigenen Aussagen des Beschwerdeführers im Zusammenhang mit seiner damaligen Malariaerkrankung (kantonale Akten, act. 205, S. 3 und 5). Dass es bei dieser Erkrankung im Fieberschub zu Erinnerungsverlusten kommen könne, sei nachvollziehbar, deute aber nicht auf eine psychische Grunderkrankung hin. Seit 2007 habe der Beschwerdeführer keinen Malariaschub mehr gehabt. Die zu beurteilenden Taten könnten deshalb nicht damit in Verbindung gebracht werden. Der Beschwerdeführer mache überdies auch keine anderen Erinnerungslücken in jüngerer Zeit geltend. Von einem "Erinnerungs-Blackout" alleine in Bezug auf die Delikte sei nicht auszugehen. Das anlässlich der Berufungsverhandlung neu vorgebrachte Argument des Kindsmissbrauchs lasse sich weder widerlegen noch bestätigen. Allerdings falle auf, dass der Beschwerdeführer während der Strafuntersuchung solche Übergriffe nie erwähnt oder auch nur angedeutet habe. Auf entsprechende Fragen anlässlich der Berufungsverhandlung hin habe er keine konkreten psychischen Probleme geschildert. Aus dem angeblichen Kindsmissbrauch sowie den vom Beschwerdeführer zusätzlich angeführten Haschisch- und Marihuanakonsum, welcher gemäss seinen eigenen Angaben nicht exzessiv gewesen sei, ergäben sich keine Anhaltspunkte für ernsthafte Zweifel an der vollen Schuldfähigkeit (Urteil, S. 8-16).
1.4 Die Vorinstanz würdigt die Vorkommnisse in der Lebensgeschichte des Beschwerdeführers sowie den angeblichen Kindsmissbrauch und den Drogenkonsum in vertretbarer Weise. Die dagegen erhobenen Einwendungen in tatsächlicher Hinsicht sind appellatorisch. Das ist der Fall, wenn der Beschwerdeführer aktenwidrig behauptet, nicht er, sondern die Vorinstanz habe die ungewöhnlichen Vorfälle in seinem Leben mit Malariaschüben in Verbindung gebracht (Beschwerde, S. 14 f.). Entsprechendes gilt, wenn er darlegt, wie der Vorfall im Militär - das Richten der Waffe auf seinen Vorgesetzten - richtigerweise zu beurteilen wäre und welche Schlüsse daraus gezogen werden müssten (Beschwerde, S. 14 und 19). Auf diese und weitere gleichartige Vorbringen, mit welchen der Beschwerdeführer lediglich seine Sicht der Dinge darlegt, ohne die Unhaltbarkeit der vorinstanzlichen Beweiswürdigung nachzuweisen (vgl. Beschwerde, S. 17, 18, 20-22), ist nicht einzutreten.
1.5 Aus den angeführten Vorkommnissen sowie dem angeblichen Kindsmissbrauch und dem Haschischkonsum lässt sich nichts Massgebliches für die Frage herleiten, ob der Richter an der Schuldfähigkeit hätte zweifeln sollen. Wohl können solche Gegebenheiten ursächlich für eine verminderte Schuldfähigkeit sein. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie bei gegebenen Umständen zwingend und in jedem Fall vorliegen muss (vgl. Urteile 6B_644/2009 vom 23. November 2009 E. 1.3 und 6B_959/2008 vom 22. Januar 2009 E. 5.3). Ob Zweifel an der Schuldfähigkeit bestehen (müssten), ist in erster Linie anhand der Handlungen und des Verhaltens des Beschwerdeführers zu prüfen. Liegen diesbezüglich keine Anhaltspunkte für eine psychische Beeinträchtigung im Tatzeitpunkt vor, sind die Lebensgeschichte bzw. einzelne Vorkommnisse in der Biographie für die Frage der Schuldfähigkeit grundsätzlich nicht massgebend.
1.6 Das Verhalten des Beschwerdeführers gibt nach den zutreffenden Erwägungen der Vorinstanz keinen Anlass zu Zweifeln an der Schuldfähigkeit. Die Tatausführung bei der mehrfachen Vergewaltigung ist nicht besonders auffällig. Sie erscheint vielmehr geplant und zielgerichtet. Die Opfer wurden überfallen, mit einem abgebrochenen Flaschenhals bzw. einem Messer bedroht und zum Vollzug des Geschlechtsverkehrs in eine kaum einsehbare Parkanlage bzw. ein Schulhofareal gedrängt. Der Beschwerdeführer nahm dem ersten Opfer Geld und das Mobiltelefon ab, so dass es nicht sofort Hilfe herbeiholen konnte (Urteil, S. 21). Er traf bei der zweiten Vergewaltigung Vorkehren, um seine Identifizierung zu erschweren. Er trug Handschuhe, vermummte sich, verwendete ein Kondom und untersagte dem Opfer, ihn anzuschauen (Urteil, S. 12). Damit offenbart er, dass er sich der Unrechtmässigkeit seines Tuns uneingeschränkt bewusst war. Sein Verhalten erscheint bedacht und ausgeklügelt. Das zeigt sich auch darin, dass er sich äussere Umstände während des Tatgeschehens zu Nutze machte. Er bejahte beispielsweise die Frage des Opfers, ob es sich um seine Kollegen handle, als es in der Nähe Stimmen hörte (Urteil, S. 23). Dass er brutal vorging, beschlägt nicht die Frage der Schuldfähigkeit, sondern diejenige der Qualifikation des Tatbestands bzw. den Grad des Verschuldens. Die einfache Körperverletzung durch einen Biss in das Gesicht des Opfers mag etwas auffällig sein, lässt sich aber vom Tatablauf her (Packen am Oberkörper, Festhalten und Niederdrücken des Opfers) als situationsbedingt erklären. Das Verhalten des Beschwerdeführers vor und nach den Taten deutet nicht auf einen Verlust des Realitätsbezugs hin. Der Beschwerdeführer äusserte gegenüber den Untersuchungsbehörden keine Krankheitssymptome, sondern erklärte stets, er fühle sich gesund (Urteil, S. 10). Rauschzustände im Tatzeitraum verneinte er (vgl. Urteil, S. 22, wonach er einen klaren Kopf gehabt habe), was mit seinem als folgerichtig zu beurteilenden Tatverhalten korrespondiert. Der Beschwerdeführer konnte sein Aussageverhalten den Erfordernissen der Situation anpassen. Er bestritt im gesamten Verfahren - trotz DNA-Übereinstimmung - in nicht unbeholfener Weise seine Täterschaft (Urteil, S. 12 mit Hinweis auf die Ausführungen im erstinstanzlichen Urteil, S. 19). Sein Verhalten und seine Antworten anlässlich der zahlreichen, teils sehr detaillierten Einvernahmen sind situationsadäquat und kohärent (Urteil, S. 12; Präsidialverfügung des Obergerichts vom 15. Juni 2011, S. 9). Alle relevanten Umstände sprechen gegen Zweifel an der Schuldfähigkeit. Entgegen der Beschwerde ergibt sich ein allfälliger "Knick in der Lebenslinie" nicht aus dem Umstand der Begehung von Straftaten. Diese sind vielmehr bzw. können Ausdruck eines solchen "Knicks" sein. Aus den vom Beschwerdeführer angeführten, weit in der Vergangenheit liegenden Umständen ergibt sich Solches indessen nicht. Die Vorinstanz verletzt kein Bundesrecht, indem sie dem Antrag auf Einholung eines Gutachtens nicht entspricht.
1.7 Soweit der Beschwerdeführer eine Verletzung seines Anspruchs auf rechtliches Gehör (<ref-law>) und eine unzulässige Einschränkung seiner Verteidigungsmöglichkeiten (<ref-law>) rügt (Beschwerde, S. 26), begründet er nicht, inwiefern der angefochtene Entscheid gegen die angerufenen Verfassungsbestimmungen verstösst (Art. 42 Abs. 2, Art. 106 Abs. 2 BGG). Solches ist auch nicht ersichtlich. Auf seine Kritik ist nicht einzutreten.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer beanstandet die vorinstanzliche Strafzumessung. Das Strafmass sei übertrieben hoch. Es reflektiere den Druck bzw. die Erwartungshaltung der Öffentlichkeit, mit der sich die Vorinstanz konfrontiert gesehen habe. Als Folge davon seien die strafreduzierenden Aspekte nicht genügend berücksichtigt worden (Beschwerde, S. 26-36).
2.2 Das Bundesgericht hat die Grundsätze der Strafzumessung nach <ref-law> wiederholt dargelegt (<ref-ruling> E. 5.4 ff. mit Hinweisen). Darauf kann verwiesen werden. Es greift in die Strafzumessung nur ein, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat, wenn sie von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist, wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen bzw. in Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat (<ref-ruling> E. 2.1 S. 19 f. mit Hinweisen).
2.3 Die Vorinstanz schätzt das objektive und subjektive Verschulden des Beschwerdeführers bezüglich der beiden Vergewaltigungen als sehr erheblich und dasjenige betreffend die einfache Körperverletzung als eher schwer ein. Sie spricht für die Vergewaltigung zum Nachteil von A._ eine Einsatzstrafe von 6 bis 7 Jahren aus. Diese erhöht sie aufgrund der weiteren Vergewaltigung zum Nachteil von B._ ganz deutlich. Die einfache Körperverletzung zum Nachteil von C._ berücksichtigt sie ebenfalls spürbar straferhöhend. Zu Lasten des Beschwerdeführers würdigt die Vorinstanz namentlich die rein egoistischen Motive der Triebbefriedigung und Machterfüllung, die erhebliche kriminelle Energie, das äusserst skrupel- und rücksichtslose Vorgehen sowie die ganz beträchtlichen Auswirkungen auf das Leben der Opfer (mit unter anderem starken Depressionen, Belastungsreaktionen, sozialem Rückzug, Nichtaufnahme des Studiums, Verlust der Lehrstelle und einem in Aussicht gestellten Verarbeitungsprozess mit professioneller Begleitung von Jahren). Die persönlichen Verhältnisse des Beschwerdeführers beurteilt die Vorinstanz neutral ebenso wie sein unauffälliges Verhalten im Strafvollzug. Ausgehend von einem Strafrahmen von 3 bis 20 Jahren für qualifizierte Vergewaltigung (<ref-law>) und unter Berücksichtigung der Tatmehrheit (<ref-law>) fällt sie eine Strafe von 12 Jahren aus.
2.3 Die Vorinstanz schätzt das objektive und subjektive Verschulden des Beschwerdeführers bezüglich der beiden Vergewaltigungen als sehr erheblich und dasjenige betreffend die einfache Körperverletzung als eher schwer ein. Sie spricht für die Vergewaltigung zum Nachteil von A._ eine Einsatzstrafe von 6 bis 7 Jahren aus. Diese erhöht sie aufgrund der weiteren Vergewaltigung zum Nachteil von B._ ganz deutlich. Die einfache Körperverletzung zum Nachteil von C._ berücksichtigt sie ebenfalls spürbar straferhöhend. Zu Lasten des Beschwerdeführers würdigt die Vorinstanz namentlich die rein egoistischen Motive der Triebbefriedigung und Machterfüllung, die erhebliche kriminelle Energie, das äusserst skrupel- und rücksichtslose Vorgehen sowie die ganz beträchtlichen Auswirkungen auf das Leben der Opfer (mit unter anderem starken Depressionen, Belastungsreaktionen, sozialem Rückzug, Nichtaufnahme des Studiums, Verlust der Lehrstelle und einem in Aussicht gestellten Verarbeitungsprozess mit professioneller Begleitung von Jahren). Die persönlichen Verhältnisse des Beschwerdeführers beurteilt die Vorinstanz neutral ebenso wie sein unauffälliges Verhalten im Strafvollzug. Ausgehend von einem Strafrahmen von 3 bis 20 Jahren für qualifizierte Vergewaltigung (<ref-law>) und unter Berücksichtigung der Tatmehrheit (<ref-law>) fällt sie eine Strafe von 12 Jahren aus.
2.4 2.4.1 Dass den Vergewaltigungen egoistische Motive zugrunde liegen, ist offenkundig. Ob bei Übergriffen mit Überfallcharakter die Befriedigung sexueller Lust neben dem Ausleben von Machtgefühlen als Motiv in Betracht kommt, kann mit der Vorinstanz dahingestellt bleiben (Urteil, S. 21).
2.4.2 Der Beschwerdeführer ging bei den Vergewaltigungen sehr brutal vor. Er hielt die ahnungslosen Opfer unvermittelt von hinten fest, bedrohte sie mit einem abgebrochenen Flaschenhals respektive mit einem Messer, schlug das eine Opfer zusätzlich, drängte und stiess sie in nicht gut einsehbare Park- bzw. Schulanlagen, wo er den Geschlechtsverkehr unter Todesdrohungen vollzog. Die Opfer wähnten sich in Todesgefahr bzw. standen Todesangst aus (Urteil, S. 19 und S. 23). Dass der Beschwerdeführer bei der Vergewaltigung zum Nachteil von B._ ein Kondom benützte, brauchte die Vorinstanz nicht speziell zu seinen Gunsten zu berücksichtigen. Er verwendete das Kondom nicht eigentlich zum Schutz des Opfers, sondern um seine Identifizierung zu erschweren (E. 1.6). Davon abgesehen kann die Verwendung eines Präservativs zwar die Gefahr einer Ansteckung mit Krankheiten und das Risiko einer Schwangerschaft vermindern. Das führt jedoch richtigerweise zu keiner Strafminderung, sondern rechtfertigt lediglich eine weniger intensive Straferhöhung im Rahmen der Asperation. Nach den Feststellungen der Vorinstanz blieb das Kondom indessen in der Scheide des Opfers stecken. Damit bestand für dieses die Gefahr, sich mit einer Krankheit anzustecken.
2.4.3 Dass die Übergriffe objektiv nicht überaus lange dauerten und der Beschwerdeführer die Opfer nicht noch zusätzlich weiter quälte und/oder demütigte, spricht nicht zu seinen Gunsten. Er verkennt, dass sein Verschulden durch das Unterlassen weiterer Quälereien und Demütigungen nicht herabgesetzt wird (Beschwerde, S. 31). Unbegründet ist der Einwand, die Vergewaltigungsopfer hätten keine (weiteren) körperlichen Schädigungen erlitten und das Opfer C._ habe den Vorfall ohne dauernden Schaden überstanden, was im Rahmen des Gesamtbildes der Strafwürdigung zu berücksichtigen sei (Beschwerde, S. 32 f.). Die Vorinstanz legt im angefochtenen Entscheid dar, welche schwerwiegenden Auswirkungen die Straftaten auf das Leben aller drei Opfer haben. Darauf kann ohne weitere Ausführungen verwiesen werden (Urteil, S. 19 ff., 22 ff., 24 f.).
2.4.4 Nicht zu beanstanden ist, dass die Vorinstanz tatzeitaktuelle Verminderungen der Schuldfähigkeit aufgrund von Alkohol- und Drogenkonsum ausschliesst (vorstehend E. 1.6, vgl. <ref-ruling> E. 1) und daher auch nicht zu Gunsten des Beschwerdeführers berücksichtigt. Nicht ersichtlich ist, dass die Vorinstanz einen möglichen Alkohol- und Drogeneinfluss, namentlich im Fall C._, "wegmotiviert" haben soll (Beschwerde, S. 34). Das Vorbringen ist unbegründet. Dass der Beschwerdeführer die Schuldsprüche nicht angefochten hat, musste die Vorinstanz nicht strafmindernd in Rechnung stellen. Er hat seine Taten stets vollumfänglich bestritten und folglich nichts zur Aufklärung des Sachverhalts beigetragen. Die Vorinstanz stellt unter Verweis auf die bundesgerichtliche Rechtsprechung zutreffend fest, dass in der Nichtanfechtung von Schuldsprüchen im Berufungsverfahren kein eine Strafreduktion rechtfertigendes Geständnis erblickt werden kann (Urteile des Bundesgerichts 6B_974/2009 vom 18. Februar 2010 E. 5.4 sowie 6S.531/2006 vom 24. Januar 2007 E. 3.6.3 mit Hinweisen).
2.4.5 Die Vorinstanz berücksichtigt den Einsatz des abgebrochenen Flaschenhalses respektive des Messers, indem sie den Beschwerdeführer der qualifizierten Vergewaltigung gemäss <ref-law> durch Verwendung eines gefährlichen Gegenstandes schuldig spricht. Sie stellt bei der Strafzumessung in Rechnung, in welchem Ausmass die qualifizierenden Tatmodalitäten gegeben sind, und gewichtet das konkrete Ausmass des verschuldeten Erfolgs. Das ist keine unzulässige Doppelverwertung (<ref-ruling> E. 2b; <ref-ruling> E. 2b; GÜNTER STRATENWERTH, Schweizerisches Strafrecht, AT II, Bern 2006, 2. Aufl., § 6 Rz. 22).
2.5 Zusammenfassend ergibt sich, dass die Vorinstanz die für die Strafzumessung relevanten Gesichtspunkte beachtet und plausibel würdigt. Bei der ausgefällten Freiheitsstrafe von 12 Jahren handelt es sich um eine empfindliche Sanktion, die sich aber auch bei einer Gesamtbetrachtung nicht als unhaltbar hoch erweist. Anhaltspunkte, dass der "Druck der öffentlichen Meinung" zum Strafmass beigetragen hat, sind nicht ersichtlich. Der Beschwerdeführer zieht zur Begründung seiner Behauptung denn auch nur Umstände heran, die sich zeitlich nach der Strafausfällung zugetragen haben (vgl. Beschwerde, S. 27).
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos war (<ref-law>). Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen (<ref-law>). Das Gesuch um aufschiebende Wirkung ist mit dem Entscheid gegenstandslos geworden.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf eingetreten wird.
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 Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 19. April 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Arquint Hill