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 Y._ zu einer teilbedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten. Für 24 Monate gewährte es ihm den bedingten Strafvollzug. Der Kassationshof des Obergerichts verweigerte X._ am 22. Dezember 2010 die Revision des Urteils vom 11. Mai 2009. Die gegen diese beiden Urteile erhobene Beschwerde in Strafsachen wies das Bundesgericht am 10. Mai 2011 ab (Verfahren 6B_372/2009 und 6B_63/2011).
B. Am 3. Juni 2011 reichte X._ ein zweites Revisionsgesuch beim Obergericht des Kantons Bern ein. Er macht geltend, die neuen Beweismittel, zehn Briefe von Y._ aus den Jahren 2002/2003, belegten, dass er sich keiner sexuellen Übergriffe schuldig gemacht habe. Das Obergericht des Kantons Bern wies das Revisionsgesuch mit Entscheid vom 14. November 2011 ab. Gegen diesen Entscheid erhebt X._ Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, der angefochtene Entscheid sei aufzuheben und die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen, damit sie das Revisionsgesuch gutheisse. Die Verfahrenskosten seien dem Staat aufzuerlegen, und es sei ihm eine angemessene Entschädigung zuzusprechen.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz verweigere die Revision zu Unrecht. In diesem Zusammenhang verletze sie seine Ansprüche auf rechtliches Gehör und auf ein faires Verfahren (Art. 29 Abs. 2, Art. 32 Abs. 2 BV, Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK). Er, seine Stieftochter, seine frühere Ehefrau und Dr. med. A._ seien zu den Briefen zu befragen. Die Vorinstanz begründe die Ablehnung seiner Beweisanträge nicht näher (Beschwerde S. 5, S. 8). Sie dürfe die Briefe nicht zu seinem Nachteil interpretieren, ohne ihn anzuhören. Dies gelte namentlich, soweit sie erwäge, die Briefe seien Ausdruck der ambivalenten Gefühle des Missbrauchsopfers. Solches lasse sich nicht ohne Befragung aus dem Briefinhalt herleiten.
1.2 Der Grundsatz des rechtlichen Gehörs nach <ref-law> garantiert den betroffenen Personen ein persönlichkeitsbezogenes Mitwirkungsrecht. Sie sollen sich vor Erlass des Entscheids zur Sache äussern, erhebliche Beweise beibringen, an der Erhebung von Beweisen mitwirken oder sich zumindest zum Beweisergebnis äussern können. Die Behörde ist grundsätzlich verpflichtet, die ihr angebotenen Beweismittel abzunehmen, wenn sie zur Abklärung des Sachverhalts tauglich erscheinen. Sie muss die Vorbringen der Parteien tatsächlich hören, prüfen und in der Entscheidfindung berücksichtigen. Die Begründung muss deshalb zumindest kurz die wesentlichen Überlegungen nennen, von denen sich das Gericht hat leiten lassen und auf die es seinen Entscheid stützt. Dagegen wird nicht verlangt, dass sich die Begründung mit allen Parteistandpunkten einlässlich auseinandersetzt und jedes einzelne Vorbringen ausdrücklich widerlegt (vgl. <ref-ruling> E. 3.2 S. 270 mit Hinweisen).
Wird die Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der willkürlichen Anwendung von kantonalem Recht und Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) gerügt, gelten qualifizierte Anforderungen an die Begründung. Anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheids ist darzulegen, inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt worden sein sollen (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.3.1 S. 68 mit Hinweisen).
1.3 Die Einvernahme von Zeugen ist im Verfahrensstadium, wo die Bewilligung der Revision in Frage steht, von Bundesrechts wegen nicht zwingend vorgesehen (Art. 412 StPO). Die Vorinstanz durfte auf die beantragten Zeugeneinvernahmen verzichten. Der Beschwerdeführer, seine frühere Ehefrau und Dr. med. A._ könnten keinen Aufschluss geben, wie die Briefe inhaltlich zu deuten sind. Sie haben diese nicht verfasst. Das Opfer als Autorin der fraglichen Texte äusserte sich zum Vorwurf des sexuellen Missbrauchs und den diesbezüglich relevanten familiären Verhältnissen bereits ausführlich. Es nahm auch zum vorliegenden Verfahren Stellung. Der Gehörsanspruch des Beschwerdeführers wurde mit der Gelegenheit zur schriftlichen Stellungnahme gewahrt. Die Rüge erweist sich als unbegründet.
1.4 Die Rüge des Beschwerdeführers, die Vorinstanz setze sich mit den widersprüchlichen Aussagen des Opfers nicht auseinander und verletze deshalb die Begründungspflicht (Beschwerde S. 6: Einerseits sage dieses aus, es habe die besten Eltern, die es sich wünschen könne, andererseits beschuldige es den Beschwerdeführer des sexuellen Missbrauchs), geht fehl. Die Vorinstanz befasst sich mit diesen Aussagen und erachtet die Argumente des Beschwerdeführers als nicht stichhaltig (Urteil S. 10 f.).
1.5 Der Anspruch auf rechtliches Gehör bzw. das Willkürverbot ist auch nicht verletzt, wenn die Vorinstanz die Rechtsfrage, ob die neuen Beweise die für die Revision erforderliche Erheblichkeit aufwiesen, nicht im Sinne des Beschwerdeführers beantwortet (Beschwerde S. 5 unten).
2. 2.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz gelange gestützt auf eine willkürliche Beweiswürdigung zum Ergebnis, die neu eingereichten Briefe seien nicht geeignet, einen Freispruch bzw. eine wesentlich mildere Bestrafung zu bewirken. Sie verletze das Willkürverbot (<ref-law>) sowie Art. 410 StPO. Entgegen ihrer Auffassung würden in den Briefen sexuelle Übergriffe thematisiert. Das Opfer führe wörtlich aus: "Ich weiss das Pa mich nie anrührend wird aber ich habe einfach die Umarmung und die Küsserei satt. Aber ich habe euch so gerne." Mit "anrühren" könne nur die sexuelle Annäherung gemeint sein, welche das Opfer ausdrücklich verneine. Ausserdem werde in den Briefen das gute Verhältnis zwischen Stiefvater und -tochter bestätigt. Der Inhalt der Briefe sei entgegen der Auffassung der Vorinstanz entlastend und somit als Revisionsgrund erheblich im Sinne von Art. 410 StPO. Ein Beweis der Unschuld sei nicht erforderlich. Die Wiederaufnahme des Verfahrens sei bereits zu gestatten, wenn aufgrund neuer Tatsachen ein neues Urteil möglich erscheine. Schliesslich fehle eine Gesamtwürdigung der neuen und früheren Beweise. Die Vorinstanz verletze ihre Begründungspflicht (Beschwerde S. 5 ff.).
2.2 Wer durch einen Entscheid beschwert ist, kann die Revision verlangen, wenn neue, vor dem Entscheid eingetretene Tatsachen oder neue Beweismittel vorliegen, die geeignet sind, einen Freispruch oder eine wesentlich mildere Bestrafung der verurteilten Person herbeizuführen (Art. 410 Abs. 1 lit. a StPO). Art. 410 Abs. 1 lit. a StPO übernimmt die in <ref-law> und in aArt. 368 Abs. 1 Ziff. 1 des Gesetzes über das Strafverfahren (StrV/BE) normierten Revisionsgründe zugunsten eines Verurteilten. Die eidgenössische Strafprozessordnung (SR 312.0), welche nach dem Entscheid in Kraft getreten ist, für welchen der Beschwerdeführer die Revision verlangt, ändert nichts am materiellen Recht (Urteil 6B_310/2011 vom 20. Juni 2011 E. 1.1 mit Hinweis).
Erforderlich sind erhebliche neue Tatsachen oder Beweismittel, die 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.).
Ob eine Tatsache oder ein Beweismittel geeignet ist, die tatsächlichen Grundlagen des Urteils zu erschüttern, dessen Revision verlangt wird, ist eine Tatfrage. Rechtsfrage ist hingegen, 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).
2.3 Soweit sich der Beschwerdeführer gegen die frühere Beweiswürdigung wendet (z.B. er könne aufgrund seiner Vorhautverengung keinen Geschlechtsverkehr vollziehen, das Opfer und die frühere Ehefrau hätten ihre Aussagen abgesprochen, sie wollten sich an ihm rächen, ihre Aussagen seien nicht konstant, Beschwerde S. 3 f. und S. 7 f.), ohne Bezug auf die neuen Beweismittel zu nehmen, ist auf seine Beschwerde nicht einzutreten (<ref-law>; Urteil 6B_63/2011 vom 10. Mai 2011 E. 2.4.4).
Ebenfalls nicht einzutreten ist auf neue tatsächliche Behauptungen, welche der Beschwerdeführer in das Verfahren einfliessen lässt, ohne diesbezüglich die Revision zu verlangen (<ref-law>; z.B. das Opfer habe mit den Zeugen vor deren Befragung Kontakt aufgenommen, Beschwerde S. 7).
2.4 Der Beschwerdeführer bringt mit den zehn handschriftlichen Briefen des Opfers neue Tatsachen im Sinne von Art. 410 Abs. 1 lit. a StPO vor (Urteil S. 6 f.). Indessen durfte die Vorinstanz willkürfrei davon ausgehen, diese seien nicht geeignet, die tatsächlichen Grundlagen des Urteils zu erschüttern. In neun Briefen ist Alltägliches aus dem Leben des Opfers als Au-pair-Mädchen enthalten (Urteil S. 7 ff.). In einem einzigen Brief schneidet das Opfer den Körperkontakt zum Beschwerdeführer an. Es bringt darin explizit zum Ausdruck, dass es "die Küsserei und Umarmungen" des Beschwerdeführers als zudringlich empfindet und ablehnt, ohne zu erwähnen, was es darunter alles versteht bzw. wieweit diese Handlungen gegangen sind. Die Vorinstanz durfte diesen Umstand als Indiz werten, welche ihr früheres Urteil stützt.
Auch die vom Beschwerdeführer aus demselben Brief zitierte Passage, "Ich weiss das Pa mich nie anrührend wird", vermag keine Zweifel am früheren Beweisergebnis zu wecken. Selbst wenn sie dahingehend interpretiert würde, dass das Opfer sexuelle Kontakte mit dem Beschwerdeführer verneinte, lässt sich daraus nichts zum Tatgeschehen ableiten. Adressaten der Briefe sind gemäss den vorinstanzlichen Erwägungen der Beschwerdeführer und die Mutter des Opfers. Letztere glaubte dem Opfer nicht, als es von den Übergriffen berichtete (Urteil S. 10 f.). Das explizite Verneinen sexueller Handlungen kann auch Ausdruck des ambivalenten Verhältnisses zur eigenen Familie und des Wunsches sein, in geordneten Verhältnissen zu leben (Urteil S. 8). Insgesamt fehlt es an der hinreichenden Wahrscheinlichkeit für eine Abänderung des früheren Urteils.
Dasselbe Bild ergibt sich bei einer Gesamtbetrachtung der Briefe zusammen mit den vorhandenen Beweismitteln. Eine solche Gesamtwürdigung nimmt die Vorinstanz entgegen der Kritik des Beschwerdeführers vor (Urteil S. 10 f.). Sie stützt sie im Wesentlichen auf die früheren Aussagen des Opfers ab. Diese vorinstanzliche Beweiswürdigung ist im Ergebnis nicht zu beanstanden. Eine Tatzeugin konnte gewisse Handlungen bestätigen (Berühren an den Brüsten und Zungenküsse), welche der Beschwerdeführer im früheren Verfahren pauschal bestritten hatte. Schliesslich machte das Opfer gegenüber von Drittpersonen bereits vor der Anzeige Andeutungen zum sexuellen Missbrauch durch den Beschwerdeführer (Urteil 6B_372/2009 vom 10. Mai 2011 E. 3). Insgesamt fehlt es an der Erheblichkeit der neuen Beweismittel. Diese lassen die tatsächliche Urteilsgrundlage, dass der Beschwerdeführer das Opfer sexuell missbraucht und vergewaltigt hat, in keinem anderen Licht erscheinen. Die Vorinstanz durfte daher davon ausgehen, die Briefe seien rechtlich nicht relevant. Die Rügen sind abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
3. 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 Bern, 1. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 3. April 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Koch