Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Bern verurteilte X._ am 11. März 2009 zweitinstanzlich wegen Vergewaltigung, sexueller Handlungen mit Kindern, teilweise wegen sexueller Nötigung sowie einfacher Körperverletzung zum Nachteil seiner Stieftochter zu einer teilbedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten. Für 24 Monate gewährte es ihm den bedingten Strafvollzug.
B. Gegen dieses Urteil erhob X._ mit Eingabe vom 4. Mai 2009 Beschwerde in Strafsachen (Verfahren 6B_372/2009). Dieses Verfahren wurde vom Bundesgericht sistiert, nachdem er am 7. Mai 2009 beim Kassationshof des Obergerichts ein Revisionsgesuch eingereicht hatte.
C. Der Kassationshof des Obergerichts des Kantons Bern wies das Revisionsgesuch von X._ am 22. Dezember 2010 ab. Gegen dieses Urteil wendet sich X._ mit Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, der Entscheid des Kassationshofes des Obergerichts des Kantons Bern vom 22. Dezember 2010 sei aufzuheben. Die Sache sei "zur Gutheissung des Revisionsgesuchs" an die Vorinstanz zurückzuweisen. Die Verfahrenskosten seien dem Staat aufzuerlegen. Es sei ihm eine angemessene Entschädigung zuzusprechen.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, er habe aus Scham erst im Revisionsverfahren vorgebracht, dass er an einer Vorhautverengung leide. Im Tatzeitraum sei es ihm nicht möglich gewesen, den Beischlaf zu vollziehen oder sich manuell befriedigen zu lassen, da ihm dies starke Schmerzen bereitet hätte. Die Vorinstanz stelle den Sachverhalt hinsichtlich seiner Anatomie und deren Konsequenzen offensichtlich unrichtig fest. Sie verletze zudem seinen Anspruch auf rechtliches Gehör, indem sie ihn und seine frühere Ehefrau nicht zum Sexualleben im Tatzeitraum befrage. Diese hätte sein Leiden sowie die funktionelle Beeinträchtigung bestätigen können. Er selbst hätte sich zu den Schmerzen äussern wollen. Auch auf den Bericht seines Hausarztes gehe die Vorinstanz nicht ein.
1.2 Nach der Auffassung der Vorinstanz war der Beschwerdeführer trotz seiner körperlichen Beeinträchtigung und der allenfalls damit verbundenen Schmerzen grundsätzlich in der Lage, Geschlechtsverkehr zu vollziehen und sich manuell durch Dritte befriedigen zu lassen, wie ihm im Urteil des Obergerichts des Kantons Bern vom 11. März 2009 zur Last gelegt wird. Eine Befragung seiner früheren Ehefrau lehnt sie ab. Eine solche erübrige sich gestützt auf die gutachterlichen Feststellungen.
1.2 Nach der Auffassung der Vorinstanz war der Beschwerdeführer trotz seiner körperlichen Beeinträchtigung und der allenfalls damit verbundenen Schmerzen grundsätzlich in der Lage, Geschlechtsverkehr zu vollziehen und sich manuell durch Dritte befriedigen zu lassen, wie ihm im Urteil des Obergerichts des Kantons Bern vom 11. März 2009 zur Last gelegt wird. Eine Befragung seiner früheren Ehefrau lehnt sie ab. Eine solche erübrige sich gestützt auf die gutachterlichen Feststellungen.
1.3 1.3.1 Nach <ref-law> haben die Parteien Anspruch auf rechtliches Gehör. Dazu gehört das Recht des Betroffenen, sich vor Erlass eines in seine Rechtsstellung eingreifenden Entscheides zur Sache zu äussern sowie das Recht auf Abnahme der rechtzeitig und formrichtig angebotenen rechtserheblichen Beweismittel. Indessen räumt <ref-law> keinen Anspruch auf eine mündliche Anhörung ein. Auch steht die Verfassungsgarantie einer vorweggenommenen Beweiswürdigung nicht entgegen. Das Gericht kann auf die Abnahme von Beweisen verzichten, wenn es aufgrund bereits abgenommener Beweise seine Überzeugung gebildet hat und ohne Willkür annehmen kann, seine Überzeugung werde durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert (<ref-ruling> E. 5.3 S. 148 mit Hinweisen). Die auf das vorliegende Verfahren übergangsrechtlich noch anwendbare kantonale Strafprozessordnung räumt im Revisionsverfahren keinen über die Minimalgarantie von <ref-law> hinausgehenden Anspruch ein (vgl. Art. 376 des Gesetzes über das Strafverfahren vom 15. März 1995, ausser Kraft seit dem 1. Januar 2011; aStPO/BE i.V.m. Art. 453 Abs. 1 der Schweizerischen Strafprozessordnung vom 5. Oktober 2007; SR 312.0).
1.3.2 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>, vgl. auch <ref-law>). Zu den Voraussetzungen, wann eine willkürliche Sachverhaltsfeststellung vorliegt, und den Anforderungen an die Begründungspflicht ist auf die bisherige Rechtsprechung zu verweisen (<ref-ruling> E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen).
1.4 Das Institut für Rechtsmedizin Bern erstellte am 12. Mai 2010 ein Gutachten und ergänzte dieses am 22. September 2010. Hierzu stützt es sich auf zwei eingehende Untersuchungen des Geschlechtsteils des Beschwerdeführers in schlaffem und erigiertem Zustand. Nach Auffassung der Gutachter leidet der Beschwerdeführer an einer sogenannten "relativen Phimose". Bei einer Erektion lässt sich die Vorhaut des Penis nicht zurückschieben. Hingegen ist dies in erschlafftem Zustand grundsätzlich möglich. Die Vorhautverengung des Beschwerdeführers kann nach Auffassung der Gutachter den Geschlechtsverkehr erschweren, jedoch nicht verunmöglichen. Die Vorinstanz stützt sich zur Frage, ob der Beschwerdeführer im Tatzeitraum zu Geschlechtsverkehr und Manipulation am Glied in der Lage gewesen sei, auf das Gutachten ab. Sie geht zugunsten des Beschwerdeführers davon aus, die "relative Phimose" habe bereits damals bestanden. Ihre Sachverhaltsfeststellung, die Beeinträchtigung des Beschwerdeführers sei nicht dergestalt, dass die ihm zur Last gelegten sexuellen Handlungen per se auszuschliessen seien, ist anhand der medizinischen Diagnose vertretbar. Die Vorinstanz durfte in antizipierter Beweiswürdigung darauf verzichten, den Beschwerdeführer und dessen frühere Ehefrau einzuvernehmen. Selbst wenn dadurch bestätigt würde, dass die Eheleute im Tatzeitraum wegen der körperlichen Beeinträchtigung des Beschwerdeführers kein gemeinsames Sexualleben gehabt hätten, könnte daraus hinsichtlich der sexuellen Handlungen mit der Stieftochter nichts hergeleitet werden. Diese sind selbst bei bestehender Vorhautverengung nicht völlig undenkbar. Unberücksichtigt lassen durfte die Vorinstanz auch den vom Beschwerdeführer eingereichten Bericht seines Hausarztes, weil die Untersuchungen durch die Gutachter umfassender waren als jene des Hausarztes, welcher das Glied nur in erschlafftem Zustand prüfte.
1.5 Nicht einzutreten ist auf die Rüge des Beschwerdeführers, die Vorinstanz stelle die Anatomie seines Gliedes (wieweit die Vorhaut in welchem Zustand zurückgezogen werden kann) in willkürlicher Weise fest. Die Diagnose betreffend die "relative Phimose" bzw. die unvollständige Vorhautverengung ist jedenfalls nicht bestritten und braucht nicht näher erörtert zu werden. Im Übrigen ist die vom Beschwerdeführer aufgeworfene Frage für den Ausgang des Verfahrens nicht entscheidend, zumal die Gutachter aufgrund zweier Untersuchungen zum Schluss kamen, der Geschlechtsverkehr sei möglicherweise erschwert, aber nicht verunmöglicht. Ob eine Beeinträchtigung vorliege, sei individuell und hange vom subjektiven Erleben des Beschwerdeführers ab.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz unterlasse es, eine Gesamtwürdigung der neuen Tatsache zusammen mit den früheren Beweisen vorzunehmen. Unter Berücksichtigung der widersprüchlichen Aussagen seiner Stieftochter zur Vergewaltigung und des Umstandes, dass sie ihrem Therapeuten gegenüber ausgesagt habe, es sei nicht zu eigentlichen sexuellen Handlungen gekommen, sei die neue Tatsache erheblich und eine Änderung des angefochtenen Urteils wahrscheinlich. Die Vorinstanz verletze <ref-law> bzw. aArt. 397 StGB, indem sie davon ausgehe, die von ihm im Revisionsverfahren neu vorgebrachte Tatsache, wonach er an einer Vorhautverengung leide, sei nicht geeignet, einen Freispruch oder eine erheblich geringere Bestrafung zu bewirken. Aufgrund seiner Anatomie könne er die Sexualstraftaten zum Nachteil seiner Stieftochter, für welche er verurteilt worden sei (Vergewaltigung, sexuelle Nötigung, sexuelle Handlungen mit Kindern), nicht begangen haben.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz unterlasse es, eine Gesamtwürdigung der neuen Tatsache zusammen mit den früheren Beweisen vorzunehmen. Unter Berücksichtigung der widersprüchlichen Aussagen seiner Stieftochter zur Vergewaltigung und des Umstandes, dass sie ihrem Therapeuten gegenüber ausgesagt habe, es sei nicht zu eigentlichen sexuellen Handlungen gekommen, sei die neue Tatsache erheblich und eine Änderung des angefochtenen Urteils wahrscheinlich. Die Vorinstanz verletze <ref-law> bzw. aArt. 397 StGB, indem sie davon ausgehe, die von ihm im Revisionsverfahren neu vorgebrachte Tatsache, wonach er an einer Vorhautverengung leide, sei nicht geeignet, einen Freispruch oder eine erheblich geringere Bestrafung zu bewirken. Aufgrund seiner Anatomie könne er die Sexualstraftaten zum Nachteil seiner Stieftochter, für welche er verurteilt worden sei (Vergewaltigung, sexuelle Nötigung, sexuelle Handlungen mit Kindern), nicht begangen haben.
2.2 2.2.1 Nach <ref-law> haben die Kantone gegenüber Urteilen, die aufgrund des Strafgesetzbuches ergehen, wegen erheblicher Tatsachen oder Beweismittel, die dem Gericht zur Zeit des früheren Verfahrens noch nicht bekannt waren, die Wiederaufnahme des Verfahrens zu Gunsten des Verurteilten zu gestatten. Diese Bestimmung entspricht aArt. 397 StGB, weshalb die unter dem alten Allgemeinen Teil des Strafgesetzbuches ergangene Rechtsprechung anwendbar bleibt.
2.2.2 Erheblich sind neue Tatsachen oder Beweismittel, wenn sie geeignet sind, die Beweisgrundlage des früheren Urteils so zu erschüttern, dass aufgrund des veränderten Sachverhalts ein wesentlich milderes Urteil möglich ist oder ein Teilfreispruch in Betracht kommt <ref-ruling> E. 2a S. 67 f. mit Hinweisen). Die Wahrscheinlichkeit einer Abänderung des früheren Urteils genügt für die Zulassung der Revision. Deren Nachweis darf nicht dadurch verunmöglicht werden, dass ein jeden begründeten Zweifel ausschliessender Beweis für die neue Tatsache verlangt wird (<ref-ruling> E. 4e S. 360 f.).
2.2.3 Rechtsfrage ist, ob die letzte kantonale Instanz von den richtigen Begriffen der "neuen Tatsache", des "neuen Beweismittels" und deren "Erheblichkeit" im Sinne von <ref-law> ausgegangen ist. Ob eine Tatsache oder ein Beweismittel dem Sachrichter bekannt war oder neu ist, ist eine Tatfrage; ebenso, ob eine neue Tatsache oder ein neues Beweismittel geeignet ist, die tatsächlichen Grundlagen des Urteils zu erschüttern, dessen Revision verlangt wird. Rechtsfrage ist dagegen wieder, ob die voraussichtliche Veränderung der tatsächlichen Grundlagen rechtlich relevant ist, d.h. zu einem im Schuld- oder Strafpunkt für den Verurteilten günstigeren Urteil führen kann (<ref-ruling> E. 2a S. 67 f. mit Hinweisen).
2.2.4 Unbestritten ist, dass der Beschwerdeführer mit der sogenannten "relativen Phimose" eine neue Tatsache im Sinne von <ref-law> vorbringt. Die Vorinstanz durfte ohne Willkür davon ausgehen, dass diese nicht geeignet ist, die tatsächlichen Grundlagen des Urteils zu erschüttern. Denn der Beschwerdeführer ist trotz der Vorhautverengung grundsätzlich fähig, den Geschlechtsverkehr und die weiteren angeklagten sexuellen Handlungen zu vollziehen. Auch zusammen mit den früheren Beweisen ergibt sich kein anderes Bild. Insbesondere musste die Stieftochter des Beschwerdeführers aufgrund ihres jungen Alters nicht erkennen, dass dieser an einer Vorhautverengung litt (vgl. Gutachten act. 66 Ziff. 7). Aus Aussagen Dritter, die beim Missbrauch nicht anwesend waren, kann nichts zum Wahrheitsgehalt der Aussagen der Stieftochter hergeleitet werden. Eine andere Würdigung ihrer Aussagen zusammen mit der neuen Tatsache drängt sich im Revisionsverfahren nicht auf. Soweit die Rügen des Beschwerdeführers darauf abzielen, alleine die frühere Beweiswürdigung in Zweifel zu ziehen (z.B. Würdigung die Aussagen der Stieftochter seien aufgrund des Berichts ihres Therapeuten nicht glaubhaft bzw. sie seien in sich widersprüchlich), ist er im Revisionsverfahren nicht zu hören.
Im Übrigen spricht die ergebnisorientierte Argumentation des Beschwerdeführers gegen die Erheblichkeit des vorgebrachten Novums. Im Appellationsverfahren zweifelte er die Glaubhaftigkeit der Aussage seiner früheren Frau zur Vergewaltigung der Stieftochter mit der Begründung an, deren belastende Aussage falle mit der Beendigung der gemeinsamen intimen Beziehung (inklusive Geschlechtsverkehr) Ende Februar 2007 zusammen (act. 377). Sie habe aus Rache gegen ihn ausgesagt. Nachdem ihm mit dieser Strategie vor Vorinstanz kein Erfolg beschieden war, versuchte er im Revisionsverfahren, die Unglaubhaftigkeit der Aussagen seiner früheren Gattin und des Opfers mit der Behauptung zu belegen, Geschlechtsverkehr und Manipulationen an seinem Geschlecht seien infolge seines Handicaps gänzlich verunmöglicht. Insgesamt ist die neue Tatsache nicht geeignet, die tatsächlichen Grundlagen des Urteils zu erschüttern. Somit ist sie rechtlich auch nicht erheblich und rechtfertigt nach der zutreffenden Auffassung der Vorinstanz keine Revision.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (<ref-law>). Der Beschwerdegegnerin ist keine Parteientschädigung zuzusprechen, da ihr in diesem Verfahren kein Aufwand entstanden ist (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Bern, Kassationshof, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. Mai 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Mathys Koch