Sachverhalt:
A. Am 6. Dezember 1999 kurz vor Mitternacht verübte X._ mit einem Komplizen einen bewaffneten Raubüberfall auf ein Billardcenter in Langenthal. Die Angestellte wurde unter vorgehaltener Waffe aufgefordert, den Tresor zu öffnen, in welchen sie kurz vor Eintreffen der Täter die Tageseinnahmen gelegt hatte. Weil der Tresor bereits mit der Nachtsperre versehen war, liess er sich nicht mehr aufschliessen. Kurz darauf begegneten die Täter beim Eingang einem Securitas-Wächter, der zu einem Kontrollgang im Gebäude eingetroffen war. X._ tötete ihn mit einem Revolverschuss in den Hals.
B. Das Kreisgericht IV Aarwangen-Wangen verurteilte X._ am 26. November 2010 wegen Mordes und versuchten Raubes zu einer Freiheitsstrafe von 15 Jahren. Gegen dieses Urteil erhob X._ Appellation und die Generalstaatsanwaltschaft des Kantons Bern Anschlussappellation. Am 20. Oktober 2011 bestätigte das Obergericht des Kantons Bern den erstinstanzlichen Schuldspruch und setzte die Freiheitsstrafe auf 18 Jahre fest.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das angefochtene Urteil sei hinsichtlich der Ziffern II und III aufzuheben und die Sache zur neuen Beurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Eventualiter sei er wegen vorsätzlicher Tötung zu einer Freiheitsstrafe von 8 Jahren zu verurteilen.
X._ stellt das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe den Sachverhalt offensichtlich unrichtig festgestellt und die Unschuldsvermutung verletzt. Es müsse davon ausgegangen werden, dass es kurz vor der Schussabgabe zu einem Handgemenge kam. Als er zurückgewichen sei, habe sich der tödliche Schuss aus seinem Revolver versehentlich gelöst. Davor habe er dem Opfer befohlen, sich hinzulegen, was dieses jedoch nicht getan habe.
1.2 Offensichtlich unrichtig ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie als willkürlich im Sinne von <ref-law> erscheint (<ref-ruling> E. 2.4 mit Hinweisen). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.4.1 mit Hinweisen). Der Beschwerdeführer beruft sich auf die Unschuldsvermutung als Beweiswürdigungsregel. In dieser Funktion kommt ihr im Verfahren vor Bundesgericht keine Bedeutung zu, die über das Willkürverbot hinausgeht (<ref-ruling> E. 2a mit Hinweisen).
1.3 Die Vorinstanz stellt folgenden Geschehensablauf fest: Nachdem der Beschwerdeführer und sein Komplize erkannt hatten, dass sich der Tresor wegen der Nachtsperre nicht mehr öffnen liess, verliessen sie den Bereich der Theke und begaben sich zum Eingang, wo sie auf das Opfer trafen. Der Beschwerdeführer feuerte mit seinem Revolver aus einer Distanz von 110 bis 140 cm auf das Opfer, ohne dass es zuvor zu einem Handgemenge oder zu einer Aufforderung, sich hinzulegen, gekommen wäre. Dabei wusste der Beschwerdeführer, dass sein Revolver geladen war. Im Zeitpunkt der Schussabgabe stand der Komplize dem Opfer direkt gegenüber. Der Schuss traf das Opfer hinten links am Hals. Der Tod trat durch inneren und äusseren Blutverlust sowie durch Ersticken ein. Unmittelbar nach der Schussabgabe verliessen die Täter den Tatort.
1.3 Die Vorinstanz stellt folgenden Geschehensablauf fest: Nachdem der Beschwerdeführer und sein Komplize erkannt hatten, dass sich der Tresor wegen der Nachtsperre nicht mehr öffnen liess, verliessen sie den Bereich der Theke und begaben sich zum Eingang, wo sie auf das Opfer trafen. Der Beschwerdeführer feuerte mit seinem Revolver aus einer Distanz von 110 bis 140 cm auf das Opfer, ohne dass es zuvor zu einem Handgemenge oder zu einer Aufforderung, sich hinzulegen, gekommen wäre. Dabei wusste der Beschwerdeführer, dass sein Revolver geladen war. Im Zeitpunkt der Schussabgabe stand der Komplize dem Opfer direkt gegenüber. Der Schuss traf das Opfer hinten links am Hals. Der Tod trat durch inneren und äusseren Blutverlust sowie durch Ersticken ein. Unmittelbar nach der Schussabgabe verliessen die Täter den Tatort.
1.4 1.4.1 Die Vorinstanz würdigt die Beweise sorgfältig. Einleitend führt sie zutreffend aus, es bestünden keine triftigen Gründe, von den Expertisen abzuweichen (vgl. dazu <ref-ruling> E. 3.2 mit Hinweisen). Damit stünden die Todesursache, der Schusskanal, die Schussdistanz und die Schussrichtung fest. Dann setzt sie sich ausführlich mit den Zeugenaussagen der Angestellten auseinander und vergleicht sie mit den Ergebnissen der Expertisen. Sie begründet auch, weshalb das Ergebnis der Konfrontation "mit Zurückhaltung zu verwerten" sei (angefochtener Entscheid S. 23-26).
Besonders gründlich beschäftigt sich die Vorinstanz mit den Aussagen des Beschwerdeführers. Sie berücksichtigt seine Angabe, das tödliche Projektil habe aus seiner Waffe gestammt, und stellt zutreffend fest, es sei nicht vorstellbar, dass er sich "ausgerechnet im schwerwiegendsten Punkt falsch belastet". Demgegenüber hält sie seine Aussagen zu den Umständen der Schussabgabe für unglaubhaft. Sie begründet dies mit verschiedenen Erwägungen: Er habe widersprüchliche Aussagen zum Ladezustand des Revolvers gemacht. Es mute unglaubhaft an, wenn er behaupte, keine Erfahrung im Umgang mit Revolvern zu haben, obwohl er 2005 in Florida wegen illegalen Waffenbesitzes verurteilt worden sei, nachdem die Polizei bei ihm drei Faustfeuerwaffen einschliesslich eines Revolvers gefunden habe. Er habe ausgesagt, wenn das Opfer zu Boden gegangen wäre, hätte er es nicht erschossen, sondern gefesselt. Dies stehe im Widerspruch zur Darstellung, wonach sich der Schuss versehentlich gelöst habe, als er zurückgewichen sei. Überdies könne sich der Schuss kaum ungewollt gelöst haben, wenn der Schlaghammer des Revolvers nicht gespannt gewesen sei. Die Darstellung des Beschwerdeführers, wonach es zu einem Handgemenge gekommen sei, erscheine schwer nachvollziehbar, weil unklar bleibe, wo er auf das Opfer getroffen sei und wie weit die beiden aufgrund des angeblichen gegenseitigen Stossens in den Raum vorgedrungen seien. Überhaupt sei die behauptete Reaktion des Opfers nur schwer vorstellbar. Eine Person, die mit vorgehaltener Waffe bedroht werde, reagiere kaum mit Handgreiflichkeiten. Dies gelte umso mehr, wenn es sich um einen erfahrenen Securitas-Wächter handle, der als bedacht handelnd geschildert werde und in seiner Ausbildung gelernt habe, bei einer Konfrontation mit der Täterschaft jede Aggression zu vermeiden. Der Beschwerdeführer habe widersprüchliche Aussagen zum Standort des Komplizen gemacht. Die Darstellung des Beschwerdeführers lasse sich nicht in Übereinstimmung bringen mit dem Schusskanal im Körper des Opfers. Seine Aussagen seien auch nicht vereinbar mit den glaubhaften Angaben der Angestellten, die zwischen dem Opfer und den Tätern weder Worte noch ein Handgemenge wahrgenommen habe. Die Zeit bis zur Schussabgabe sei zu kurz gewesen, als dass ein Handgemenge überhaupt hätte stattfinden können (angefochtener Entscheid S. 26-29).
1.4.2 Der Beschwerdeführer legt nicht dar, inwiefern die Beweiswürdigung der Vorinstanz willkürlich sein soll. Seine Vorbringen erschöpfen sich in einer unzulässigen appellatorischen Kritik. Er setzt sich mit den Ausführungen der Vorinstanz nur rudimentär auseinander. Überdies geht er von der falschen Annahme aus, das Bundesgericht interveniere bereits, wenn seine Darstellung "mindestens genau so realistisch wie die von der Vorinstanz angenommene Variante" sei (Beschwerde S. 7). Damit verkennt er, dass das Bundesgericht nur einschreitet, wenn die Beweiswürdigung der Vorinstanz im Ergebnis offensichtlich unhaltbar und damit willkürlich ist. Dass eine andere Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (<ref-ruling> E. 4.2 mit Hinweisen).
1.5 Die Vorinstanz durfte willkürfrei davon ausgehen, der Beschwerdeführer habe das Opfer erschossen, ohne dass es zuvor zu einem Handgemenge oder zu einer Aufforderung, sich hinzulegen, gekommen war.
2. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die rechtliche Würdigung des Tötungsdelikts als Mord.
2.1 Eine vorsätzliche Tötung ist als Mord zu qualifizieren, wenn der Täter besonders skrupellos handelt, namentlich wenn sein Beweggrund, der Zweck der Tat oder die Art der Ausführung besonders verwerflich sind (<ref-law>). Mord zeichnet sich nach der Rechtsprechung durch eine aussergewöhnlich krasse Missachtung fremden Lebens bei der Durchsetzung eigener Absichten aus. Entscheidend ist eine Gesamtwürdigung aller Umstände des konkreten Einzelfalls (<ref-ruling> E. 1a mit Hinweisen). Die Tötung eines Menschen zum Zwecke des Raubes ist ein typischer Fall des Mordes im Sinne von <ref-law>. Es genügt, dass die Tötung im Rahmen der Verübung des Raubes stattfand. Insoweit ist unerheblich, ob der Räuber vor, während oder unmittelbar nach der Aneignung der Beute getötet hat und ob er dies ohne besonderen Grund oder aus Angst vor einer Reaktion des Opfers tat (<ref-ruling> E. 2).
2.1.1 Der Beschwerdeführer hält dafür, es wäre falsch, "jede Tötung, welche auch nur im Entferntesten etwas mit einem Raubversuch zu tun hat, unter den Tatbestand des Mordes (...) zu subsumieren".
Die Tötung erfolgte wenige Sekunden, nachdem der Beschwerdeführer und sein Komplize ihren Plan, den Tresor zu räumen, hatten aufgeben müssen. Die Vorinstanz stellt daher zu Recht fest, dass die Tötung im Zusammenhang mit einem Raub verübt wurde.
2.1.2 Der Beschwerdeführer macht geltend, da keine Beute erzielt worden sei, handle es sich im Unterschied zum Sachverhalt in <ref-ruling> um einen Raubversuch. Im Zeitpunkt des Aufeinandertreffens von Opfer und Täter sei bereits festgestanden, dass der Raub gescheitert war. Somit sei es nicht darum gegangen, die Beute aus dem Raub zu sichern.
Dies ist unbestritten. Die Vorinstanz stellt jedoch fest, dass dem Beschwerdeführer und seinem Komplizen daran gelegen gewesen sei, den Tatort möglichst schnell und unbehelligt zu verlassen. Von der jungen, weiblichen und erkennbar unbewaffneten Angestellten sei kein Widerstand zu erwarten gewesen. In die Quere gekommen sei ihnen hingegen ein uniformierter Sicherheitsbeamter von stattlicher Postur, dem sie auf dem Fluchtweg begegnet seien.
In <ref-ruling> werden Konstellationen angesprochen, in denen gemordet wird, um Geld zu erbeuten oder zu behalten. Demgegenüber ging es im vorliegenden Fall um die Fluchtsicherung. Hier liegt die Skrupellosigkeit nicht im stossenden Verhältnis zwischen der Auslöschung eines Menschenlebens und der Aneignung fremden Vermögens. Es geht um ein anderes, jedoch nicht minder krasses und daher ebenfalls skrupelloses Missverhältnis. Der Beschwerdeführer hat einen Menschen getötet, um nach einem misslungenen Raubversuch die Flucht zu sichern.
2.1.3 Der Beschwerdeführer bringt vor, nicht das eigentliche Opfer des Raubversuchs sei getötet worden, sondern eine Drittperson, welche aufgrund ihres Berufes zufälligerweise "aufgetaucht" sei.
Dieser Einwand ist verfehlt. An der Skrupellosigkeit ändert nichts, wenn zur Sicherung der Flucht eine Drittperson getötet wird, die nicht Opfer des Raubversuchs war.
2.2 Soweit der Beschwerdeführer seiner rechtlichen Würdigung einen Sachverhalt zugrunde legt, der von den willkürfreien vorinstanzlichen Feststellungen abweicht, ist er nicht zu hören (<ref-law>). Angesichts der Tatumstände und des Tatmotivs durfte die Vorinstanz die Skrupellosigkeit und damit den Tatbestand des Mordes bejahen, ohne Bundesrecht zu verletzen.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist infolge Aussichtslosigkeit der Beschwerde abzuweisen (<ref-law>). Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Bern, 1. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 31. Mai 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Borner