Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Aargau verurteilte X._ am 11. November 2010 in teilweiser Gutheissung der Berufung der Staatsanwaltschaft und in Gutheissung der Berufung von A._ wegen Vergewaltigung und sexueller Nötigung zu einer Freiheitsstrafe von 31⁄2 Jahren unter Anrechnung der Untersuchungshaft von 11 Tagen. Es verpflichtete X._ überdies zur Zahlung einer Genugtuung von Fr. 15'000.-- an A._.
Das Bezirksgericht Bremgarten hatte X._ zuvor mit Urteil vom 12. November 2009 von der Anklage freigesprochen. Eine Beurteilung der seitens A._ geltend gemachten Zivilansprüche fand infolge Freispruchs nicht statt.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._ die Aufhebung des Urteils des Obergerichts des Kantons Aargau und seine Freisprechung von Schuld und Strafe. Die Zivilforderung sei nicht zu beurteilen, eventualiter abzuweisen.
C. Vernehmlassungen wurden nicht eingeholt.

Erwägungen:
1. Den Schuldsprüchen liegt folgender, von der Vorinstanz als erwiesen erachteter Sachverhalt zugrunde:
Am 10. Dezember 2008 sass die Beschwerdegegnerin 2, welche in einer Einrichtung ("C._") für behinderte Menschen lebt und arbeitet, mit einer Kollegin beim Busbahnhof in Wohlen auf einer Bank, als der Beschwerdeführer in einem schwarzen Golf vorfuhr, sein Fahrzeug stoppte, die fahrerseitige Fensterscheibe herunterliess und die Beschwerdegegnerin 2 ansprach. Als diese ihm gegenüber vorgab, (mit dem Bus) nach Meisterschwanden fahren zu müssen, liess er von ihr ab. Vor Ankunft des Busses trennte sich die Beschwerdegegnerin 2 von ihrer Kollegin und ging Richtung Coop, um an ihren Wohnort am Sorenbühlweg zurückzukehren. Auf Höhe des Parkplatzes der Grossverteiler Denner und Coop traf sie um ca. 17.10/15 Uhr erneut auf den Beschwerdeführer, der ihr anbot, sie nach Hause zu fahren. Auf sein Drängen hin stieg die Beschwerdegegnerin 2 ins Auto ein. Der Beschwerdeführer fuhr nach Villmergen zum Wald bzw. zu einem Waldrand. Die Beschwerdegegnerin verliess das Fahrzeug, um eine Zigarette zu rauchen. Der Beschwerdeführer näherte sich ihr und versuchte, sie zu küssen. Die Beschwerdegegnerin 2 wandte sich von ihm ab und signalisierte ihm, das nicht zu wollen. Der Beschwerdeführer wies sie an, sich auf den Rücksitz des Wagens zu begeben. Über den verbalen Widerstand der geistig leicht behinderten und wenig selbstbewussten Beschwerdegegnerin 2 setzte er sich mit bestimmten Worten hinweg. Auf dem Rücksitz des Autos griff er die Beschwerdegegnerin 2 über und unter den Kleidern aus. Als sie sich zur Wehr setzte und aussteigen wollte, hielt er sie am Arm fest und zog sie zurück. Er veranlasste sie, seinen Penis zu berühren und ihn oral zu stimulieren. Nachdem er sie gefragt hatte, ob sie Kondome bei sich trage, was sie verneinte, verlangte er von ihr, sich auszuziehen, was er nach ihrer Weigerung selber tat. Er berührte sie zwischen den Beinen, streichelte ihre Vagina und drang gegen ihren Willen ungeschützt in sie ein. Nach dem Samenerguss fragte er sie nach Taschentüchern. Die Beschwerdegegnerin 2 wischte das Sperma mit ihrer Unterhose ab. Nachdem sie sich beide wieder angezogen und eine Zigarette geraucht hatten, fuhr der Beschwerdeführer die Beschwerdegegnerin 2 nach Wohlen zurück, wo er sie um ca. 17.40 Uhr aussteigen liess.
2. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Vorwürfe der Vergewaltigung und der sexuellen Nötigung zum Nachteil der Beschwerdegegnerin 2. Er macht im Wesentlichen geltend, auf der Grundlage eines willkürlich festgestellten Sachverhalts verurteilt worden zu sein. Ohne die Persönlichkeit der Beschwerdegegnerin 2 bzw. ihre Fähigkeit zur wahrheitsgemässen Wiedergabe von Sachverhalten und ihre doch besonderen sexuellen und erotischen Bedürfnisse abgeklärt zu haben, erachte die Vorinstanz ihre Aussagen als glaubhafter als seine, wiewohl diese mit den örtlichen und zeitlichen Gegebenheiten nicht in Einklang zu bringen seien. Er sei "zu gross" und "der Wagen viel zu klein", um auf dem Rücksitz des Fahrzeugs oralen und vaginalen Verkehr mit einer "widerwilligen" Person vollziehen zu können. Ebenso wenig könne sich ein solches Kerngeschehen in einer Zeit von nur rund zehn Minuten abspielen.
3. Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung 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 Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von <ref-law> ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 1.4.1). Willkür liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerdeschrift anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.4.1, 65 E. 1.3.1; <ref-ruling> E. 1.2; <ref-ruling> E. 2.2).
Ein Anspruch der Parteien, mit ihren Beweisanträgen und Vorbringen gehört zu werden, besteht nur, soweit diese erhebliche Tatsachen betreffen und nicht offensichtlich beweisuntauglich sind. Ein Verzicht auf die Abnahme von weiteren Beweisen ist zulässig, wenn sich das Gericht aufgrund der bereits erhobenen Beweise seine Überzeugung gebildet hat und ohne Willkür in vorweggenommener Beweiswürdigung annehmen kann, dass die abgelehnten Beweisanträge nichts an seiner Überzeugung zu ändern vermögen (<ref-ruling> E. 5.3; <ref-ruling> E. 3).
4. Die Vorinstanz würdigt die Beweislage eingehend und sehr sorgfältig. Aufgrund der festgestellten DNA-Spur des Beschwerdeführers (Sperma) auf dem im fraglichen Zeitraum getragenen Slip der Beschwerdegegnerin 2 hält sie für erwiesen, dass die Beteiligten am 10. Dezember 2008 sexuellen Kontakt hatten. Sie analysiert den zeitlichen Ablauf des Geschehens gemäss Anklage unter Würdigung der Schilderungen der Beschwerdegegnerin 2 und derjenigen des Beschwerdeführers sowie unter Einbezug der Angaben von Drittpersonen und weiterer objektiver Beweismittel (Auswertung Videoüberwachungskamera "C._" vom 10. Dezember 2008) und gelangt zum Schluss, dass der Sexualkontakt zwischen dem Beschwerdeführer und der Beschwerdegegnerin 2 anklagegemäss im Zeitraum zwischen 17.10/15 und 17.40/45 Uhr stattgefunden habe, und nicht - wie der Beschwerdeführer unter anderen Vorzeichen (manuelle Befriedigung auf Initiative der Beschwerdegegnerin 2 hin) darstellt - zwischen 18.15 und 18.30 Uhr.
Weiter überprüft die Vorinstanz die Aussagen und das Aussageverhalten sowohl der Beschwerdegegnerin 2 als auch des Beschwerdeführers auf ihre inhaltliche Glaubhaftigkeit hin. Die bevormundete, geistig leicht behinderte Beschwerdegegnerin 2 sei während der Strafuntersuchung und des gerichtlichen Verfahrens insgesamt fünfmal befragt worden. Sie habe den Sachverhalt einschliesslich die zeitlichen Dimensionen stets konstant, widerspruchsfrei und nicht ohne Nennung origineller Einzelheiten und Angaben zur Person des Beschwerdeführers geschildert. Man habe sich (oberflächlich) vom Grüssen gekannt, sie sei deshalb eingestiegen. Den Beschwerdeführer habe sie eigentlich nett gefunden. Hinweise auf eine falsche oder übermässige Belastung bestehen nach der Vorinstanz nicht. Der Beschwerdeführer habe hingegen im Rahmen der ersten fünf Einvernahmen jeglichen (sexuellen) Kontakt zwischen ihm und der Beschwerdegegnerin 2 vehement in Abrede gestellt. Anlässlich der Konfrontationsbefragung mit der Beschwerdegegnerin 2 habe er die Aussage verweigert. Als ihm die sichergestellte Sperma-Spur auf dem Slip der Beschwerdegegnerin 2 vorgehalten worden sei, habe er schliesslich eingeräumt, nicht die Wahrheit gesagt zu haben. Die Beschwerdegegnerin 2 habe ihn am 10. Dezember 2008 angesprochen, sei auf ihren Wunsch hin zu ihm ins Auto gestiegen und habe ihn aus eigener Initiative manuell befriedigt. Mangels Taschentücher habe sie angeboten, das Sperma mit ihrem Slip abzuwischen. Die Vorinstanz erachtet diese Sachverhaltsdarstellung als knapp, insgesamt detailarm und - was die Begründung der Spermaspuren auf dem Slip anbelange - als konstruiert, zumal die vollständig angekleidete Beschwerdegegnerin 2 ihre Hosen und den Slip hätte ausziehen müssen, um ihrem Angebot nachzukommen. Die Vorinstanz hält die Sachverhaltsdarstellung der Beschwerdegegnerin 2 insgesamt für weit glaubhafter als diejenige des Beschwerdeführers. Nach ihrem Dafürhalten liegt kein Fall von "in dubio pro reo" vor. Die Vorinstanz ist vielmehr davon überzeugt, dass sich der Vorfall wie in der Anklage umschrieben abgespielt hat.
5. Soweit die Vorwürfe in der Beschwerde aktenwidrig sind (vgl. etwa das Vorbringen in Bezug auf das Datum der Kameraaufzeichnung der "C._" vom 10. Dezember 2008) oder über eine rein appellatorische Kritik am angefochtenen Entscheid nicht hinausgehen, ist auf die Beschwerde nicht einzutreten.
6. 6.1 Gegenstand des vorinstanzlichen Beweisverfahrens ist einzig, ob der Beschwerdeführer die Beschwerdegegnerin 2 vergewaltigt und sexuell genötigt hat, mithin ihre konkreten Anschuldigungen glaubhaft sind. Ihre Behinderung unter Einschluss ihrer Persönlichkeit und Lebensweise sowie ihre generelle Glaubwürdigkeit spielen nur insoweit eine Rolle, als sie die Würdigung ihrer Anschuldigungen beeinflussen könnten. Vorliegend bestehen entgegen der Beschwerde keine Hinweise darauf, dass die Beschwerdegegnerin 2 aufgrund ihrer Behinderung nicht in der Lage gewesen sein sollte, wahrheitsgemäss auszusagen. Weder der bei den Akten liegende Bericht der Amtsvormundin vom 10. April 2009 (act. 114/3) noch die Schilderungen des Wohngruppenleiters der "C._" (act. 280, 281) oder das konkrete Aussageverhalten bzw. die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 legen eine derartige Vermutung nahe (vgl. angefochtenen Entscheid S. 19). Die Vorinstanz hatte deshalb keinen Grund, weitere Abklärungen zur Person der Beschwerdegegnerin 2 vorzunehmen, und konnte den unter diesem Titel beantragten Beizug von Vormundschafts- und Strafakten (Straffall 2004, sexueller Übergriff auf die Beschwerdegegnerin 2 in Basel mit Verurteilung des Täters) ohne Verfassungsverletzung ablehnen. Ebenso wenig drängen sich weitere Abklärungen in Bezug auf die Glaubwürdigkeit der Beschwerdegegnerin 2 aufgrund ihrer ins Netz gestellten harmlosen Fotos und Kontaktsuchen auf. Deswegen auf "besondere" sexuelle und erotische Bedürfnisse ihrerseits schliessen zu wollen, erscheint abwegig. Wie die Vorinstanz diesbezüglich willkürfrei erwägt, erlaubt die im Internet bekannt gemachte Bereitschaft der Beschwerdegegnerin 2 zu Kontakten mit Dritten bzw. Männern keinerlei Rückschlüsse auf die Glaubhaftigkeit ihrer konkreten Anschuldigungen im zu beurteilenden Fall. Unter diesen Umständen ist im (impliziten) Verzicht der Vorinstanz auf weitere Abklärungen zum "Persönlichkeitsbild" der Beschwerdegegnerin 2 weder eine willkürliche Würdigung der Beweise noch eine Gehörsverweigerung oder eine Verletzung der Maxime der Erforschung der materiellen Wahrheit zu erkennen.
6.2 Nach den Schlussfolgerungen im angefochtenen Entscheid war es der Beschwerdeführer, der die Beschwerdegegnerin 2 am Tatabend beim Busbahnhof in Wohlen angesprochen hatte. Die Vorinstanz stützt sich diesbezüglich auf die als glaubhaft eingestuften Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 und diejenigen ihrer Kollegin, welche den Kontaktversuch einer männlichen Person in einem schwarzen Golf während ihres Wartens beim Busbahnhof unter Wiedergabe des wesentlichen Gesprächsinhalts zwischen diesem und der Beschwerdegegnerin 2 bestätigte. Dass die Kollegin der Beschwerdegegnerin 2 den Fahrer des schwarzen Golfs nicht identifizieren konnte, lässt deren Aussagen entgegen der Beschwerde nicht als unglaubhaft und das Beweisergebnis nicht als willkürlich erscheinen, zumal der Fahrer nach den übereinstimmenden Schilderungen der beiden Frauen im Auto sitzen geblieben war, was das Erkennen einer Person nach den plausiblen Ausführungen der Vorinstanz - unter Berücksichtigung der Lichtverhältnisse an einem frühen Abend im Dezember - erschwert. Im Übrigen bestehen - worauf die Vorinstanz im angefochtenen Entscheid zusätzlich ohne Willkür verweist - keine Anhaltspunkte dafür, dass die Beschwerdegegnerin 2 an diesem Abend von zwei Männern in einem schwarzen Golf angesprochen worden wäre.
6.3 Die Vorinstanz unterstellt dem Beschwerdeführer nicht, im fraglichen Zeitraum gleichzeitig die Beschwerdegegnerin 2 auf dem Bahnhof Wohlen angesprochen und seine Ehefrau in der Boutique B._ besucht zu haben. Den vorinstanzlichen Feststellungen zufolge befand er sich ab 17.00 Uhr am Arbeitsplatz der Ehefrau in der Boutique B._, was aufgrund der Datenaufzeichnung eines Telefongesprächs mit seiner Schwester feststehe. Nach seinen anfänglichen und damit tatnäheren Angaben habe der Besuch bei der Ehefrau nicht lange gedauert, er habe nur kurz "hallo" gesagt und sei nur ca. 10 Minuten geblieben. Die späteren Aussagen des Beschwerdeführers über einen länger dauernden Besuch im B._ seien unbestimmt geblieben, die diesbezüglichen Angaben der Ehefrau wenig vertrauenswürdig. Darauf sei nicht abzustellen. Auszugehen sei davon, dass der Besuch des Beschwerdeführers bei seiner Ehefrau von ca. 17.00 Uhr bis jedenfalls nicht länger als 17.10 Uhr gedauert habe. Um 17.10/15 habe er die Beschwerdegegnerin auf der Höhe des Parkplatzes der Grossverteiler Denner und Coop, in unmittelbarer Nähe zur Boutique B._, getroffen. Das Ansprechen der Beschwerdegegnerin 2 beim Busbahnhof hat folglich vor dem Besuch der Ehefrau an ihrem Arbeitsplatz stattgefunden. Das bringt der angefochtene Entscheid, welcher vom Sachverhalt gemäss Anklageschrift ausgeht, deutlich zum Ausdruck. Entgegen der Beschwerde ist damit kein offensichtlicher Widerspruch in der Argumentation der Vorinstanz auszumachen.
6.4 Nach der Vorinstanz spielte sich der massgebliche Sachverhalt zwischen 17.10/15 Uhr und 17.40/45 Uhr bzw. in einem Zeitrahmen von ungefähr 30 Minuten ab. Die Vorinstanz übernimmt dabei die durch den Beschwerdeführer vorgenommene Unterteilung der ihm vorgeworfenen Handlungen in einzelne Teilsegmente (z.B. Fahrt nach Villmergen, Rauchpause, Kussversuch, Ausgreifen auf Rücksitz etc.) und versieht diese unter Berücksichtigung des Umstands, dass sich gewisse Tatabläufe zeitlich überschneiden, mit ihrer mutmasslichen Dauer. Das Kerngeschehen (Ausgreifen auf Rücksitz, manuelle und orale Stimulation, Ausziehen des Opfers [Hosen, Unterhosen], Vollzug des Geschlechtsverkehrs, Wegwischen des Spermas mit Unterhosen des Opfers und Wiederanziehen der Kleider) dauerte nach Ansicht der Vorinstanz unter Berücksichtigung der Angaben der Beschwerdegegnerin 2 ungefähr zehn Minuten. Der Vorwurf der unzureichenden Begründung der Zeitfestsetzung geht vor diesem Hintergrund an der Sache vorbei. Ebenso wenig ist ersichtlich, dass und inwiefern die zeitliche Bewertung des Tatgeschehens durch die Vorinstanz im Einzelnen und in ihrer Gesamtheit qualifiziert unzutreffend sein sollte. Der Beschwerdeführer setzt der vorinstanzlichen Beweiswürdigung insoweit ausschliesslich entgegen, es sei "vollkommen unmöglich", dass diese "Handlungen sich in einer Zeit von zehn Minuten abgespielt haben können". Dieser pauschale Einwand lässt die vorinstanzliche Würdigung ebenso wenig willkürlich erscheinen wie die blosse Behauptung, aufgrund seiner Körpergrösse sei oraler und vaginaler Verkehr mit einer Person auf dem Rücksitz seines Wagens schlicht ausgeschlossen. Der Beschwerdeführer bestreitet damit lediglich das Tatgeschehen aus seiner Sicht, ohne die Unhaltbarkeit der gegenteiligen Auffassung der Vorinstanz nachzuweisen. Damit kann Willkür nicht begründet werden.
6.5 Die Verurteilung des Beschwerdeführers beruht damit nicht auf einer offensichtlich unhaltbaren Beweiswürdigung. Anzeichen dafür, dass es der Vorinstanz nur darum gegangen sei, ihn schuldig zu sprechen, sind nicht erkennbar. Entgegen der Beschwerde ergibt sich dieser Vorwurf insbesondere auch nicht aus dem Umstand, dass die Ehefrau des Beschwerdeführers vom Vorwurf des falschen Zeugnisses freigesprochen wurde, was im Übrigen ohnehin nicht Gegenstand des vorliegenden Verfahrens ist.
7. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (<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 Aargau, Strafgericht, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 7. April 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Arquint Hill