Sachverhalt:
A. Der 1965 geborene Y._ war ab 4. April 1995 als Betriebsmitarbeiter für die T._ AG tätig. Am 3. Juli 2002 stürzte er beim Kirschenpflücken von einer Leiter. Dabei zog er sich eine Unterschenkelfraktur rechts zu. Am 14. Juli 2003 meldete er sich zum Bezug von Leistungen der Invalidenversicherung an. Die T._ AG löste das Arbeitsverhältnis mit Y._ am 23. September 2003 per Ende November 2003 durch Kündigung auf. Am 20. Dezember 2005 verfügte die IV-Stelle des Kantons Aargau rückwirkend ab 1. Juli 2003 eine ganze Invalidenrente, basierend auf einem 86%igen Invaliditätsgrad. Im Rahmen eines von Amtes wegen eingeleiteten Revisionsverfahrens hob die IV-Stelle die Invalidenrente per 1. Juni 2009 auf (Verfügung vom 28. April 2009). In teilweiser Gutheissung der dagegen erhobenen Beschwerde wies das Versicherungsgericht des Kantons Aargau die Angelegenheit zur Neuberechnung des Invaliditätsgrades im Sinne der Erwägungen an die IV-Stelle zurück und hielt fest, dass die IV-Stelle die Rente basierend auf einer Arbeitsfähigkeit von 70 % neu zu berechnen und dabei zu prüfen habe, ob allenfalls beim Invalideneinkommen ein leidensbedingter Abzug vorzunehmen sei (Entscheid vom 21. April 2010). Nach Durchführung des Vorbescheidverfahrens setzte die IV-Stelle die ganze Rente ab 1. Februar 2009 auf eine Viertelsrente herab (Verfügung vom 24. Januar 2011).
B. Das Versicherungsgericht des Kantons Aargau hiess die gegen die Verfügung vom 24. Januar 2011 erhobene Beschwerde insoweit teilweise gut, als es die ganze Rente per 1. Februar 2009 aufhob und ab 1. Juli 2009 eine halbe Rente zusprach (Urteil vom 21. Dezember 2011).
C. Y._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen und beantragen, der Invaliditätsgrad sei ab 1. Februar 2009 auf über 60 % festzusetzen; eventualiter sei der Invaliditätsgrad ab 1. Februar 2009 auf mindestens 40 % und ab 1. Juli 2009 auf über 60 % anzusetzen; subeventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Gleichzeitig ersucht er um Gewährung der unentgeltlichen Prozessführung und Verbeiständung.
Die IV-Stelle stellt das Rechtsbegehren, die Beschwerde sei in dem Sinne gutzuheissen, als Y._ vom 1. Februar bis 30. Juni 2009 Anspruch auf eine Viertelsrente zuzugestehen sei. Das Bundesamt für Sozialversicherungen verzichtet auf eine Vernehmlassung.

Erwägungen:
1. Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten kann wegen Rechtsverletzung gemäss Art. 95 und Art. 96 BGG erhoben werden. Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG), und kann deren Sachverhaltsfeststellung von Amtes wegen nur berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht (Art. 105 Abs. 2 BGG). Es wendet das Recht von Amtes wegen an (Art. 106 Abs. 1 BGG) und ist weder an die in der Beschwerde geltend gemachten Argumente noch an die Erwägungen der Vorinstanz gebunden; es kann eine Beschwerde aus einem anderen als dem angerufenen Grund gutheissen und es kann sie mit einer von der Argumentation der Vorinstanz abweichenden Begründung abweisen (vgl. <ref-ruling> E. 1.4 S. 140). Das Bundesgericht prüft grundsätzlich nur die geltend gemachten Rügen; es ist nicht gehalten, wie eine erstinstanzliche Behörde alle sich stellenden rechtlichen Fragen zu prüfen, wenn diese vor Bundesgericht nicht mehr vorgetragen werden (<ref-ruling> E. 2.2.1 S. 389 mit Hinweisen; Urteil 8C_934/2008 vom 17. März 2009 E. 1, nicht publ. in: <ref-ruling>, aber in: SVR 2009 UV Nr. 35 S. 120).
2. 2.1 Im angefochtenen Entscheid werden die für die Beurteilung wesentlichen Rechtsgrundlagen zutreffend dargelegt. Es betrifft dies insbesondere die gesetzlichen Bestimmungen und von der Rechtsprechung entwickelten Grundsätze zu den Begriffen der Arbeitsunfähigkeit (Art. 6 ATSG), der Erwerbsunfähigkeit (Art. 7 ATSG) und der Invalidität (Art. 4 Abs. 1 IVG in Verbindung mit Art. 8 ATSG), insbesondere bei psychischen Gesundheitsschäden (<ref-ruling> E. 3.4 S. 69; <ref-ruling> E. 1.2 S. 50; <ref-ruling>, je mit Hinweisen), zu den Voraussetzungen und zum Umfang des Rentenanspruchs (Art. 28 Abs. 1 IVG [in der bis 31. Dezember 2007 gültig gewesenen Fassung] und Art. 28 Abs. 2 IVG [in der seit 1. Januar 2008 in Kraft stehenden Fassung]), zu den Voraussetzungen einer Revision der Invalidenrente (Art. 17 ATSG [vgl. zudem Art. 31 IVG in der seit 1. Januar 2008 geltenden Fassung]) und Art. 88a IVV; <ref-ruling> E. 3 S. 132; <ref-ruling> E. 5.4 S. 114), namentlich zu den zeitlichen Vergleichspunkten (BGE <ref-ruling> E. 5.4 S. 114) sowie zum Beweiswert und zur Würdigung ärztlicher Berichte und Gutachten (<ref-ruling> E. 5.1 S. 232; <ref-ruling> E. 3a S. 352). Darauf wird verwiesen.
2.2 Steht das Vorliegen eines Revisionsgrundes für ein Sachverhaltselement fest, können im Revisionsverfahren auch die anderen Elemente der Anspruchsberechtigung frei überprüft werden. So konnte im Revisionsverfahren eines Versicherten, dessen Gesundheitszustand sich verschlechtert hatte, auch die Höhe des Valideneinkommens ohne Bindung an die ursprüngliche Verfügung neu festgesetzt werden (AHI 2002 S. 164 E. 2a, I 652/00).
3. Nach Art. 88bis Abs. 2 lit. a IVV erfolgt die Herabsetzung oder Aufhebung der Renten und Hilflosenentschädigungen frühestens vom ersten Tag des zweiten der Zustellung der Verfügung folgenden Monats an. Eine Rentenaufhebung oder -herabsetzung kann zwar nicht rückwirkend verfügt, wohl aber rückwirkend bestätigt werden (<ref-ruling>; <ref-ruling>; SVR 2011 IV Nr. 33 S. 96, 8C_451/2010 E. 4.2.2 und E. 4.2.3; Urteil 8C_567/2011 vom 3. Januar 2012 E. 3.2). Ob mit Blick auf diese Regelung das kantonale Gericht die bisherige ganze Rente ab 1. Februar 2009 aufheben konnte bzw. die Verwaltung mit Verfügung vom 24. Januar 2011 auf den 1. Februar 2009 eine Herabsetzung (auf eine Viertelsrente) vornehmen durfte, kann im Grundsatz dahingestellt bleiben, da sich der Beschwerdeführer nicht gegen den Zeitpunkt der Rentenanpassung stellt. Angesichts von Art. 107 Abs. 1 BGG, wonach das Bundesgericht nicht über die Begehren der Parteien hinausgehen darf, erübrigen sich Weiterungen dazu.
4. 4.1 Das kantonale Gericht verweist inhaltlich für den Zeitraum bis Ende März 2009 auf seinen früheren Entscheid vom 21. April 2010, worin festgestellt wurde, es sei gestützt auf das Gutachten des medizinischen Zentrums X._ vom 22. Januar 2009 - in welchem aus psychiatrischer Sicht, mit Einfluss auf die Arbeitsfähigkeit, der Befund "Angst und depressive Störung gemischt" (ICD-10 F41.2) erhoben und in somatischer Hinsicht nur noch eine qualitative Einschränkung der Arbeitsfähigkeit angegeben wird - ab dem Zeitpunkt der Begutachtung im medizinischen Zentrum X._ vom 2./3. Oktober 2008 von einer zu 30 % eingeschränkten Arbeitsfähigkeit auszugehen. Demgegenüber war der Versicherte im Zeitpunkt der rentenzusprechenden Verfügung vom 20. Dezember 2005 namentlich mit Blick auf den Abklärungsbericht der Behinderteneingliederungsstätte Z._ vom 30. Mai 2005 aufgrund verschiedener gesundheitlicher Probleme "eher" nur im geschützten Rahmen einsetzbar. Die Vorinstanz vertrat schon in ihrem Entscheid vom 21. April 2010 die Ansicht, auf den Bericht des behandelnden Dr. med. A._, Facharzt für Psychiatrie und Psychotherapie FMH, vom 1. März 2010 (recte: 13. Januar 2010), in welchem eine - seiner Ansicht nach sicher seit Oktober 2008 bestehende - mittelgradige depressive Episode gemäss ICD-10 F32.10 diagnostiziert wird, könne bezüglich der Beurteilung der Arbeitsfähigkeit in der Zeitspanne von Oktober 2008 bis Februar 2009 nicht abgestellt werden, weil er den Beschwerdeführer erst seit April 2009 behandle. Daran wird im vorliegend angefochtenen Gerichtsentscheid vom 21. Dezember 2011 festgehalten.
Für die Verhältnisse zwischen April 2009 und Januar 2011 stellt das kantonale Gericht fest, echtzeitlich sei erstmals im Schreiben des Dr. med. A._ vom 19. Oktober 2010 - unter Verweis auf eine chronifizierte Störung bei aktuell mittelgradiger Ausprägung - eine 50%ige Einschränkung der Arbeitsfähigkeit attestiert worden; eine mittelgradige depressive Störung habe dieser jedoch bereits bei der erstmaligen Konsultation vom 7. April 2009 festgestellt. Daher sei mit überwiegender Wahrscheinlichkeit davon auszugehen, dass die anlässlich der letzten Untersuchung im Oktober 2008 (durch die Experten des medizinischen Zentrums X._) festgestellte 30%ige Arbeitsunfähigkeit gestiegen und seit April 2009 auf 50 % zu beziffern sei.
4.2 Ab April 2009 stellt die Vorinstanz auf die Angaben des behandelnden Dr. med. A._ ab, welcher bei einer mittelgradigen depressiven Episode eine 50%ige Arbeitsfähigkeit attestiert. Insoweit bestehen keine Diskrepanzen zwischen kantonalem Gericht und Versichertem. Dem Einkommensvergleich zur Invaliditätsbemessung wird demgemäss mit der Vorinstanz ein auf einer Arbeitsfähigkeit von 50 % basierendes Invalideneinkommen zugrunde zu legen sein (vgl. E. 5.2.3 hiernach). Soweit der Beschwerdeführer eine willkürliche Beweiswürdigung geltend macht und sich auch für die Zeit von Oktober 2008 bis April 2009 auf die Beurteilung der Arbeitsfähigkeit durch Dr. med. A._ beruft, kann ihm nicht gefolgt werden. Der Argumentation der Vorinstanz, wonach der Psychiater die Behandlung des Versicherten erst im April 2009 aufgenommen habe und deshalb bezüglich der Zeit davor nicht auf seine Einschätzung abgestellt werden könne, zumal die Gutachter des medizinischen Zentrums X._ gestützt auf ihre Untersuchungen im Oktober 2008 überzeugend eine geringere Einschränkung der Arbeitsfähigkeit von lediglich 30 % angegeben hätten, vermag der Versicherte nichts Stichhaltiges entgegenzusetzen. Die Rentenberechnung muss somit bezüglich der Verhältnisse ab anfangs Oktober 2008 bis März 2009 gestützt auf ein hypothetisches Einkommen in einer 70%igen Verweistätigkeit erfolgen. Mit Blick auf die Beobachtungen des Dr. med. A._ bei Behandlungsbeginn im April 2009 ist für die Berechnung des Invalideneinkommens auf diesen Zeitpunkt hin von einer Verschlechterung des Gesundheitszustandes mit nurmehr 50%iger Arbeitsfähigkeit auszugehen.
5. In erwerblicher Hinsicht wirkt sich die solchermassen reduzierte Arbeitsfähigkeit des Beschwerdeführers wie folgt aus:
5. In erwerblicher Hinsicht wirkt sich die solchermassen reduzierte Arbeitsfähigkeit des Beschwerdeführers wie folgt aus:
5.1 5.1.1 Die Vorinstanz hat das Valideneinkommen ausgehend vom Lohnbuchauszug der T._ AG vom 3. Juli 2002 (Unfalldatum) bis 30. November 2003 (Auflösung des Arbeitsverhältnisses) auf Fr. 62'828.- für das Jahr 2003 bzw., nach Anpassung an die Nominallohnentwicklung, für das Jahr 2009 auf Fr. 68'274.- festgesetzt. Die vom Versicherten geltend gemachte Überstundenentschädigung hat sie dabei entgegen dessen Ansicht zu Recht nicht berücksichtigt, da er - bei einer im Jahr 2002 ausgewiesenen Überstundenentschädigung von insgesamt Fr. 151.25 - nicht dartun konnte, dass er während der Dauer des Arbeitsverhältnisses regelmässig Überstunden geleistet hatte.
5.1.2 Der Beschwerdeführer macht eine falsche Berechnung des Valideneinkommens geltend. Dieses habe für das Jahr 2009 mindestens Fr. 74'681.30 zu betragen. Soweit er sich zur Begründung seines abweichenden Standpunktes auf den differenten versicherten Verdienst bei der Unfallversicherung, der Arbeitslosenversicherung und in der beruflichen Vorsorge beruft, kann er daraus nichts zu seinen Gunsten ableiten. Sowohl die Vorinstanz als auch der Versicherte übersehen allerdings, dass das im angefochtenen Gerichtsentscheid für das Jahr 2003 berechnete Valideneinkommen von Fr. 62'828.- lediglich auf einer Addierung der von Januar 2003 bis zur Auflösung des Arbeitsverhältnisses Ende November 2003 ausgerichteten Lohnsumme sowie des anteilmässigen 13. Monatslohns (Fr. 57'971.- + Fr. 4'857.- = Fr. 62'828.-) basiert. Dieser offensichtliche Fehler ist zu korrigieren (E. 1 hiervor). Massgebend ist das Einkommen vor Eintritt des Gesundheitsschadens, welcher vorliegend mit dem Leitersturz am 3. Juli 2002 zusammenfällt. Aus dem Arbeitgeberfragebogen vom 4. August 2003 ergibt sich, dass die Lohnverhältnisse im Jahr 2002 im Vergleich zum Jahr 2001 gleich geblieben waren und demgemäss für das Unfalljahr 2002 von einem Jahresverdienst von Fr. 65'343.75 auszugehen ist. Indexbereinigt (Die Volkswirtschaft 12/2005 und 6/2012, jeweils S. 95, Tabelle B 10.3, verarbeitendes Gewerbe, Industrie: 1,2 % [2003], 0,7 % [2004], 1,3 % [2005], 1,1 % [2006], 1,5 % [2007], 1,8 % [2008], 2,4 % [2009]) beträgt das Valideneinkommen im Jahr 2009 Fr. 72'158.65.
5.1.2 Der Beschwerdeführer macht eine falsche Berechnung des Valideneinkommens geltend. Dieses habe für das Jahr 2009 mindestens Fr. 74'681.30 zu betragen. Soweit er sich zur Begründung seines abweichenden Standpunktes auf den differenten versicherten Verdienst bei der Unfallversicherung, der Arbeitslosenversicherung und in der beruflichen Vorsorge beruft, kann er daraus nichts zu seinen Gunsten ableiten. Sowohl die Vorinstanz als auch der Versicherte übersehen allerdings, dass das im angefochtenen Gerichtsentscheid für das Jahr 2003 berechnete Valideneinkommen von Fr. 62'828.- lediglich auf einer Addierung der von Januar 2003 bis zur Auflösung des Arbeitsverhältnisses Ende November 2003 ausgerichteten Lohnsumme sowie des anteilmässigen 13. Monatslohns (Fr. 57'971.- + Fr. 4'857.- = Fr. 62'828.-) basiert. Dieser offensichtliche Fehler ist zu korrigieren (E. 1 hiervor). Massgebend ist das Einkommen vor Eintritt des Gesundheitsschadens, welcher vorliegend mit dem Leitersturz am 3. Juli 2002 zusammenfällt. Aus dem Arbeitgeberfragebogen vom 4. August 2003 ergibt sich, dass die Lohnverhältnisse im Jahr 2002 im Vergleich zum Jahr 2001 gleich geblieben waren und demgemäss für das Unfalljahr 2002 von einem Jahresverdienst von Fr. 65'343.75 auszugehen ist. Indexbereinigt (Die Volkswirtschaft 12/2005 und 6/2012, jeweils S. 95, Tabelle B 10.3, verarbeitendes Gewerbe, Industrie: 1,2 % [2003], 0,7 % [2004], 1,3 % [2005], 1,1 % [2006], 1,5 % [2007], 1,8 % [2008], 2,4 % [2009]) beträgt das Valideneinkommen im Jahr 2009 Fr. 72'158.65.
5.2 5.2.1 Zur Ermittlung des hypothetischen Invalideneinkommens ist die Vorinstanz dem Vorgehen der IV-Stelle gefolgt, welche - nachdem der Beschwerdeführer keine ihm zumutbare neue Erwerbstätigkeit aufgenommen hat - die Tabellenlöhne gemäss der vom Bundesamt für Statistik herausgegebenen Schweizerischen Lohnstrukturerhebung (LSE) herangezogen hat (<ref-ruling> E. 4.2.1 S. 475). Vermeintlich anhand der Tabellenlöhne der LSE 2008, Tabelle TA1, Anforderungsniveau 4, monatlicher Bruttolohn von Männern, berechnete sie bei einer wöchentlichen Arbeitszeit von 41,6 Stunden sowie nach Anpassung an den Nominallohn 2009 einen Jahresverdienst von Fr. 62'871.90 und wollte einen Leidensabzug von 10 % berücksichtigen, woraus sie eine Summe von Fr. 61'446.60 ableitete. Dabei wurde fälschlicherweise der Lohn der LSE 2008, Tabelle T1 (Privater und öffentlicher Sektor), Anforderungsniveau 4, Männer, von Fr. 4'935.- anstelle von Fr. 4'806.- gemäss Tabelle TA1 (Privater Sektor) eingesetzt und ausserdem übersehen, dass der Leidensabzug beim von ihr auf Fr. 68'274.- festgesetzten Valideneinkommen vorgenommen wurde. Auch diese offensichtlichen Versehen sind zu berichtigen. Es ergibt sich bei einem monatlichen Verdienst von Fr. 4'806.- (LSE 2008, Tabelle TA1, Anforderungsniveau 4, Männer) nach Anpassung an die durchschnittliche wöchentliche Arbeitszeit von 41,6 Stunden und nominallohnindexiert im Jahr 2009 (2,1 %) ein Jahreslohn von Fr. 61'238.45.
5.2.2 Die Frage, ob eine Herabsetzung des statistischen Lohnes wegen besonderer Umstände (aufgrund der Behinderung der versicherten Person oder aus anderen Gründen) angezeigt ist, ist eine vom Bundesgericht frei überprüfbare Rechtsfrage. Demgegenüber ist die Frage nach der Höhe des (im konkreten Fall grundsätzlich angezeigten) Leidensabzuges eine typische Ermessensfrage, deren Beantwortung letztinstanzlicher Korrektur nur mehr dort zugänglich ist, wo das kantonale Gericht das Ermessen rechtsfehlerhaft ausgeübt hat, also Ermessensüberschreitung, -missbrauch oder -unterschreitung vorliegt (<ref-ruling> E. 5.1 S. 72). Ermessensmissbrauch ist gegeben, wenn die Behörde zwar im Rahmen des ihr eingeräumten Ermessens bleibt, sich aber von unsachlichen, dem Zweck der massgebenden Vorschriften fremden Erwägungen leiten lässt oder allgemeine Rechtsprinzipien, wie das Verbot von Willkür und von rechtsungleicher Behandlung, das Gebot von Treu und Glauben sowie den Grundsatz der Verhältnismässigkeit verletzt (<ref-ruling> E. 5.1 S. 73).
Die IV-Stelle hat in ihrer Verfügung vom 24. Januar 2011 einen Leidensabzug von 10 % vorgenommen. Nach Ansicht der Vorinstanz ist dieser Abzug in Anbetracht der leidensbedingten Einschränkung (nur noch leichte, wechselbelastende, primär im Sitzen zu verrichtende Tätigkeit), des Alters (Jahrgang 1965), der Nationalität (Schweizer seit 1997) und des Beschäftigungsgrades (50 % bzw. 70 %) nicht zu beanstanden. Gemäss LSE 2006 Tabelle T2* erzielten Männer in einfachen und repetitiven Tätigkeiten (Anforderungsniveau 4) bei einem Arbeitspensum zwischen 50 % und 74 % im Vergleich zu "Männer Vollzeit (>= 90 %)" einen um 10,07 % reduzierten Verdienst. Nach für das Bundesgericht verbindlicher Feststellung (Art. 105 Abs. 2 BGG; vgl. E. 1 hiervor) ist der Versicherte in leidensadaptierten, leichten Tätigkeiten ab Oktober 2008 zu 70 %, bzw. ab April 2009 zu 50 % arbeitsfähig. Auch in einer Teilzeitbeschäftigung ist er namentlich mit Blick auf die somatischen Befunde in seiner Bewegungsfähigkeit und beim Tragen von Lasten eingeschränkt. Demgegenüber wirken sich das Alter sicher nicht lohnsenkend und die Nationalität mit Bestimmtheit lohnerhöhend aus. Unter gebotener gesamthafter Berücksichtigung aller Aspekte lässt sich daher die vorinstanzlich bestätigte Bemessung des behinderungsbedingten Abzugs auf 10 % mit sachlichen Gründen vertreten, weshalb das Bundesgericht nicht korrigierend einzugreifen hat.
5.2.3 Bei einem zumutbaren 70%igen Pensum in einer Verweistätigkeit ergibt sich, ausgehend von einem Jahreslohn von Fr. 61'238.45, ein Invalideneinkommen von Fr. 38'580.20 und ab April 2009, bei einem Pensum von nurmehr 50 %, ein solches von Fr. 27'557.30.
5.3 Nach dem Gesagten ist dem Valideneinkommen von Fr. 72'158.65 zunächst ein Invalideneinkommen von Fr. 38'580.20 gegenüberzustellen. Daraus resultiert ein Invaliditätsgrad von 47 %, weshalb die ganze Rente per 1. Februar 2009 auf eine Viertelsrente herabzusetzen ist (zum Zeitpunkt der Herabsetzung: E. 3 hiervor).
Ab April 2009 ist von einer 50%igen Arbeitsunfähigkeit auszugehen. Gestützt auf ein entsprechendes Invalideneinkommen von Fr. 27'557.30 errechnet sich verglichen mit dem Valideneinkommen von Fr. 72'158.65 ein Invaliditätsgrad von 62 %. In Nachachtung von Art. 88a Abs. 2 IVV besteht ab 1. Juli 2009 Anspruch auf eine Dreiviertelsrente der Invalidenversicherung.
6. 6.1 Der Beschwerdeführer dringt mit seinem Eventualbegehren durch. Dieses Ergebnis ist im Hinblick auf die Kosten einem vollständigen Obsiegen gleichgestellt. Dementsprechend sind die Gerichtskosten der Beschwerdegegnerin aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Diese hat dem Beschwerdeführer für das bundesgerichtliche Verfahren eine Parteientschädigung auszurichten (Art. 68 Abs. 2 BGG). Dessen Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist somit gegenstandslos.
6.2 Eine Rückweisung zur Neuverlegung der Gerichtskosten und der Prozessentschädigung erübrigt sich, weil die Vorinstanz die teilweise Gutheissung der Beschwerde kostenmässig wie ein vollumfängliches Obsiegen behandelt hat.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. In teilweiser Gutheissung der Beschwerde werden der Entscheid des Versicherungsgerichts des Kantons Aargau vom 21. Dezember 2011 und die Verfügung der IV-Stelle des Kantons Aargau vom 24. Januar 2011 aufgehoben und die IV-Stelle des Kantons Aargau wird verpflichtet, dem Beschwerdeführer ab 1. Februar bis 30. Juni 2009 eine Viertelsrente und ab 1. Juli 2009 eine Dreiviertelsrente auszurichten. Im Übrigen wird die Beschwerde abgewiesen.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 500.- werden der Beschwerdegegnerin auferlegt.
3. Die Beschwerdegegnerin hat den Beschwerdeführer für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 2'800.- zu entschädigen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Verwaltungsgericht des Kantons Aargau, der Ausgleichskasse der Aarg. Industrie- und Handelskammer und dem Bundesamt für Sozialversicherungen schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 10. Oktober 2012
Im Namen der I. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Ursprung
Die Gerichtsschreiberin: Berger Götz