Sachverhalt:
A. A.a Das Obergericht des Kantons Luzern verurteilte X._ am 20. Mai 2010 zweitinstanzlich wegen mehrfachen betrügerischen Konkurses (Art. 163 Ziff. 1 i.V.m. <ref-law>), mehrfachen Pfändungsbetrugs (Art. 163 Ziff. 1 i.V.m. <ref-law>), mehrfacher Urkundenfälschung (<ref-law>), Erschleichung einer falschen Beurkundung (<ref-law>), mehrfacher Veruntreuung (Art. 138 Ziff. 1 i.V.m. <ref-law>), mehrfachen untauglichen Versuchs der Veruntreuung (Art. 138 Ziff. 1 i.V.m. Art. 29 und Art. 22 Abs. 1 StGB) und mehrfachen Abgabebetrugs (Art. 14 Abs. 2 i.V.m. Art. 6 VStrR) zu einer Freiheitsstrafe von 2 Jahren und 10 Monaten, davon 12 Monate unbedingt, teilweise als Zusatzstrafe zur Strafverfügung des Amtsstatthalteramts Willisau vom 31. August 2000 und zu den Urteilen des Obergerichts des Kantons Luzern vom 27. Juni 2001 und 17. Oktober 2002 sowie als Zusatzstrafe zum Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 7. Juli 2004. Auf den Widerruf des X._ gewährten bedingten Vollzugs der Freiheitsstrafen gemäss der Strafverfügung vom 31. August 2000 sowie den Urteilen vom 27. Juni 2001 und 17. Oktober 2002 verzichtete es zufolge Zeitablaufs.
A.b Der Verurteilung wegen Abgabebetrugs im Sinne von Art. 14 Abs. 2 VStrR liegt folgender Sachverhalt zugrunde:
Die A._ AG war Halterin mehrerer schwerverkehrsabgabepflichtiger Fahrzeuge, für welche sie in den Jahren 2001 und 2002 die ausstehenden Schwerverkehrsabgaben (LSVA) nicht beglich. Die Eidgenössische Oberzolldirektion (OZD) liess die A._ AG mit Zahlungsbefehl vom 26. Juni 2002 für die LSVA des Jahres 2001 im Betrag von Fr. 434'291.90 betreiben. Am 25./26. Juni 2002 sowie 2. und 30. Juli 2002 liess der Beschwerdeführer die Halterschaft an zehn Fahrzeugen von der A._ AG auf die B._ SA mit Sitz in Lugano übertragen, welche die ihr in Rechnung gestellte LSVA ebenfalls nicht bezahlte. Die B._ SA war eine reine Domizilgesellschaft ohne eigentliche unternehmerische Betriebstätigkeit. Ihr Zweck bestand einzig darin, als Fahrzeughalterin für den ehemaligen Fuhrpark der A._ AG aufzutreten. Die Fahrzeuge wurden nie an den Sitz der B._ SA verbracht, sondern blieben am Sitz der A._ AG in D._ und waren dort weiter im Einsatz. Der Beschwerdeführer nahm den beschriebenen Halterwechsel kurz vor dem von der OZD angedrohten Entzug von Fahrzeugausweisen und Kontrollschildern vor in der Absicht, die Lastwagen trotz des drohenden Ausweis- und Schilderentzugs weiter benutzen zu können.
B. Das Bundesgericht hiess am 5. August 2011 die Beschwerde von X._ gegen das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 20. Mai 2010 mit Bezug auf die Verurteilung wegen mehrfachen Abgabebetrugs nach Art. 14 Abs. 2 VStrR teilweise gut und wies die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurück. Im Übrigen wies es die Beschwerde ab, soweit darauf einzutreten war (Urteil 6B_79/2011).
C. Das Obergericht des Kantons Luzern sprach X._ am 21. Mai 2012 erneut des mehrfachen Abgabebetrugs schuldig und bestätigte im Strafpunkt das Urteil vom 20. Mai 2010.
D. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das Urteil vom 21. Mai 2012 aufzuheben, ihn vom Vorwurf des mehrfachen Abgabebetrugs freizusprechen und zu einer (Zusatz-)Strafe von 2 Jahren Freiheitsentzug zu verurteilen, bedingt vollziehbar bei einer Probezeit von 2 Jahren. Eventualiter seien von der Strafe von 2 Jahren und 10 Monaten lediglich 6 Monate für vollziehbar zu erklären. Subeventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen.

Erwägungen:
1. Das Bundesgericht wies die Angelegenheit mit Urteil vom 5. August 2011 zur Prüfung - unter Berücksichtigung des Anklageprinzips - an die Vorinstanz zurück, ob der Beschwerdeführer die OZD arglistig über die Haltereigenschaft im Sinne von Art. 5 des Bundesgesetzes vom 19. Dezember 1997 über eine leistungsabhängige Schwerverkehrsabgabe (SVAG; SR 641.81) täuschte (Urteil 6B_79/2011 vom 5. August 2011 E. 6.5). Das Obergericht bejaht dies im Entscheid vom 21. Mai 2012 und verurteilt den Beschwerdeführer erneut wegen Abgabebetrugs nach Art. 14 Abs. 2 VStrR.
2. Die Beschwerde ist zu begründen (Art. 42 Abs. 1 und 2, <ref-law>). Die Begründung hat in der Beschwerdeschrift selbst zu erfolgen (<ref-ruling> E. 3.2; <ref-ruling> E. 2.3 mit Hinweis). Nicht einzutreten ist auf die Beschwerde, soweit der Beschwerdeführer ausschliesslich auf seine Vernehmlassung vom 30. März 2012 verweist und das Bundesgericht auffordert, die Verjährung von Amtes wegen zu prüfen, ohne gegen die vorinstanzlichen Ausführungen eine formelle Rüge zu erheben (Beschwerde Ziff. 35 S. 10 und Ziff. 37 S. 11).
3. Neue Tatsachen und Beweismittel dürfen im Verfahren vor dem Bundesgericht nur so weit vorgebracht werden, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt (<ref-law>). Der Beschwerdeführer reicht im bundesgerichtlichen Verfahren erstmals ein Schreiben der C._ AG an die OZD vom 18. September 2002 zu den Akten, das belegt, dass er auch für die B._ SA in Erscheinung trat und die Korrespondenz der B._ SA nicht konsequent mit dem Absender Lugano versehen wurde (Beschwerde Ziff. 14-23 S. 7 f.; Ziff. 26-28 S. 9). Er macht geltend, er sei erst vor wenigen Tagen auf das Schreiben gestossen. Das Dokument habe sich in einem Ordner befunden, der von der Polizei am 8. Mai 2003 beschlagnahmt und am 23. Mai 2003 wieder restituiert worden sei. Es sei davon auszugehen, dass die Polizei von diesem relevanten Dokument eine Kopie erstellt habe. Wenn nicht, sei sie ihrer Aufgabe nicht nachgekommen, auch entlastende Beweismittel bei den Akten zu behalten (Beschwerde Ziff. 15 f. S. 7). Aus der vom Beschwerdeführer eingereichten Empfangsbescheinigung (kant. Akten, Fasz. 24 Urk. 1) geht hervor, dass sich die Kantonspolizei Luzern das Recht vorbehielt, einzelne Unterlagen der restituierten Akten bei Notwendigkeit für die weiteren Ermittlungen wieder herauszuverlangen und dass von den zurückgegebenen Unterlagen lediglich teilweise Kopien erstellt wurden.
Ob es sich beim Schreiben vom 18. September 2002 um ein neues Beweismittel handelt, kann offenbleiben. Der Beschwerdeführer macht gestützt darauf neue Tatsachen geltend, die er im vorinstanzlichen Verfahren nie vorbrachte, zu welchen sich die Beschwerdegegnerin nicht äussern konnte und welche die Vorinstanz mangels eines entsprechenden Einwands nicht in ihre Würdigung miteinbeziehen musste. Auf das verspätete Vorbringen ist im bundesgerichtlichen Verfahren nicht einzutreten, da nicht gesagt werden kann, erst der angefochtene Entscheid habe dazu Anlass gegeben (vgl. <ref-law>).
4. 4.1 Der Beschwerdeführer verlangt, es sei zu prüfen, ob bezüglich des Schreibens vom 18. September 2002 ein Revisionsgrund vorliege (Beschwerde Ziff. 36 S. 11).
4.2 Gemäss <ref-law> haben die Kantone gegenüber Urteilen, die aufgrund des StGB oder eines andern Bundesgesetzes ergangen sind, wegen erheblicher Tatsachen oder Beweismittel, die dem Gericht zur Zeit des früheren Verfahrens nicht bekannt waren, die Wiederaufnahme des Verfahrens zugunsten des Verurteilten zu gestatten. Vorliegend gelangt die Schweizerische Strafprozessordnung vom 5. Oktober 2007 (StPO; SR 320.0) zur Anwendung, da der bundesgerichtliche Rückweisungsentscheid nach dem 1. Januar 2011 erging (<ref-law>; Urteil 6B_425/2011 vom 10. April 2012 E. 2.2; siehe auch Urteil 6B_41/2012 vom 28. Juni 2012 E. 1.1 mit Hinweisen). Ein Revisionsgrund gemäss <ref-law> und <ref-law> liegt vor, wenn neue, vor dem Entscheid eingetretene Tatsachen oder neue Beweismittel vorliegen, die geeignet sind, einen Freispruch, eine wesentlich mildere oder wesentlich strengere Bestrafung der verurteilten Person oder eine Verurteilung der freigesprochenen Person herbeizuführen. Revisionsrechtlich neu sind Tatsachen oder Beweismittel, wenn sie dem Gericht zur Zeit der Urteilsfällung nicht bekannt waren (<ref-ruling> E. 1; <ref-ruling> E. 3a; je mit Hinweisen). Die neuen Tatsachen oder Beweismittel müssen zudem erheblich sein (Urteil 6B_455/2011 vom 29. November 2011 E. 1.2 mit Hinweisen). Anders als bei der Revision in Zivilsachen und öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten gemäss <ref-law> setzen <ref-law> und <ref-law> nicht ausdrücklich voraus, dass die erheblichen Tatsachen oder entscheidenden Beweismittel im früheren Verfahren nicht beigebracht werden konnten (vgl. <ref-ruling> E. 1.3 betreffend Art. 229 Ziff. 1 lit. a aBStP; vgl. auch <ref-law>). Revisionsverfahren dürfen jedoch nicht dazu dienen, rechtskräftige Entscheide immer wieder infrage zu stellen oder gesetzliche Vorschriften über die Rechtsmittelfristen bzw. die Zulässigkeit von neuen Tatsachen im Rechtsmittelverfahren zu umgehen (<ref-ruling> E. 2.2; <ref-ruling> E. 6). Eine Wiederaufnahme des Strafverfahrens gestützt auf <ref-law> ist grundsätzlich auch möglich, wenn eine Tatsache der beschuldigen Person bekannt war und sie es unterliess, diese dem Gericht zur Kenntnis zu bringen. Dies gilt unter dem Vorbehalt des Rechtsmissbrauchs (NIKLAUS SCHMID, Handbuch des schweizerischen Strafprozessrechts, 2009, N. 1595 S. 728; MARIANNE HEER, in: Basler Kommentar, Schweizerische Strafprozessordnung, 2011, N. 42 zu <ref-law>; vgl. auch THOMAS FINGERHUTH, in: Kommentar zur Schweizerischen Strafprozessordnung, Donatsch/Hansjakob/Lieber [Hrsg.], 2010, N. 29 zu <ref-law>). Ein Revisionsgesuch ist als rechtsmissbräuchlich zu qualifizieren, wenn es sich auf Tatsachen stützt, welche der Verurteilte von Anfang an kannte und ohne berechtigten Grund verschwieg (<ref-ruling> E. 2).
4.3 Nach der Rechtsprechung der Strafrechtlichen Abteilung kommt die Revision eines Entscheids des Bundesgerichts in Strafsachen wegen neuer Tatsachen oder Beweismittel nur in Betracht, wenn das Bundesgericht im vorangegangenen Verfahren gestützt auf <ref-law> eigene Sachverhaltsfeststellungen getroffen hat. Vorbehalten bleiben erhebliche Tatsachen betreffend die Zulässigkeit der Beschwerde, die von Amtes wegen abzuklären sind. In den übrigen Fällen müssen neue Tatsachen oder Beweismittel im Kanton mit einem Begehren um Wiederaufnahme des Verfahrens geltend gemacht werden (<ref-ruling> E. 1).
Vorliegend wurde der behauptete Revisionsgrund angeblich nach Ergehen des angefochtenen Entscheids, jedoch vor Ablauf der Frist für die Beschwerde in Strafsachen an das Bundesgericht entdeckt. Damit stellt sich die Frage, ob dieser in der Beschwerde an das Bundesgericht vorgebracht werden kann, oder ob der Beschwerdeführer mit einem Revisionsgesuch an die Vorinstanz gelangen muss.
4.4 Die Revision nach <ref-law> ist ein subsidiäres Rechtsmittel. Sie ist nicht zulässig gegen Entscheide, welche mit einem "anderen" Rechtsmittel noch abgeändert werden können (vgl. Botschaft vom 21. Dezember 2005 zur Vereinheitlichung des Strafprozessrechts, BBl 2006 1319). Revisionsbegründende neue Beweise bzw. Tatsachen müssen mit einem Rechtsmittel bzw. sonstigen Rechtsbehelf geltend gemacht werden, soweit dies (noch) möglich ist (NIKLAUS SCHMID, Schweizerische Strafprozessordnung, Praxiskommentar, 2009, N. 2 zu <ref-law>; FINGERHUTH, a.a.O., N. 28 zu <ref-law>). Dies trifft für die kantonalen Rechtsmittel zu, namentlich die Einsprache nach <ref-law> und die Berufung nach <ref-law>, nicht jedoch für das bundesgerichtliche Verfahren (vgl. FINGERHUTH, a.a.O., N. 32 zu <ref-law>). Die Strafrechtliche Abteilung entschied in <ref-ruling> E. 2, echte tatsächliche Noven könnten zur Wiederaufnahme des Verfahrens im Sinn von <ref-law> berechtigen. Eine Berücksichtigung im bundesgerichtlichen Beschwerdeverfahren sei gestützt auf <ref-law> jedoch ausgeschlossen, dies selbst, wenn der Revisionsgrund vor Ablauf der Frist für die Beschwerde an das Bundesgericht entstehe. Im bundesgerichtlichen Verfahren geht <ref-law> den Bestimmungen über die Revision somit vor, was zur Folge hat, dass der Revisionsgrund im Kanton geltend gemacht werden muss. Gleiches muss auch gelten, wenn es wie vorliegend um unechte Noven geht (d.h. solche, die bereits vor dem angefochtenen Entscheid bestanden), wenn die Voraussetzungen von <ref-law> nicht erfüllt sind (d.h. nicht erst der angefochtene Entscheid dazu Anlass gibt). Erhebt der Betroffene gleichzeitig Beschwerde in Strafsachen, kann das Bundesgericht das Verfahren bis zur Erledigung des Revisionsbegehrens durch das kantonale Gericht sistieren.
Diese Sichtweise rechtfertigt sich, da das Bundesgericht in Strafsachen in tatsächlicher Hinsicht nur über eine beschränkte Kognition verfügt. Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>). Es schreitet nur ein, wenn die vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen willkürlich sind (<ref-law>; <ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 1.4.1). Der Sachrichter verfügt im Bereich der Beweiswürdigung über einen Ermessensspielraum (<ref-ruling> E. 4b). Hätte das Bundesgericht über das Vorliegen eines Revisionsgrundes zu befinden und zu prüfen, ob eine neue Tatsache oder ein neues Beweismittel erheblich und das verspätete Vorbringen allenfalls rechtsmissbräuchlich ist, müsste es sich wie ein Sachgericht zur Beweiswürdigung äussern und sein Ermessen in Beweisfragen anstelle desjenigen des Sachgerichts setzen. Dies widerspricht dem Grundsatz, wonach das Bundesgericht in Tatfragen nur prüft, ob die Vorinstanz das Willkürverbot verletzt hat. Die gegenteilige, in sozialrechtlichen Angelegenheiten ergangene Rechtsprechung, wonach Beweismittel, die eine Revision des angefochtenen Urteils zu rechtfertigen vermögen, im bundesgerichtlichen Verfahren entgegen <ref-law> neu eingebracht werden können (vgl. <ref-ruling>; sowie das seither verschiedentlich bestätigte Urteil 9C_40/2007 vom 31. Juli 2007 E. 3.1; etwa in <ref-ruling>, nicht publ. E. 2.1), hat für die Beschwerde in Strafsachen keine Gültigkeit.
4.5 Das Schreiben vom 18. September 2002 kann im bundesgerichtlichen Verfahren nicht als revisionsrechtlich relevantes Beweismittel berücksichtigt werden. Ob die Voraussetzungen von <ref-law> erfüllt sind, kann dahingestellt bleiben.
5. 5.1 Der Beschwerdeführer beanstandet, die Vorinstanz verneine zu Unrecht eine Verletzung des Anklagegrundsatzes. Sie verweise hierfür nicht nur auf die Schilderung des Sachverhalts in der Anklageschrift, sondern auch auf die darin erfolgten rechtlichen Ausführungen (Beschwerde Ziff. 8 f. S. 5).
5.2 Nach dem aus Art. 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 2 BV sowie aus Art. 6 Ziff. 1 und Ziff. 3 lit. a und b EMRK abgeleiteten Anklagegrundsatz bestimmt die Anklageschrift den Gegenstand des Gerichtsverfahrens. Die Anklageschrift muss die Person des Angeklagten sowie die ihm zur Last gelegten Delikte in ihrem Sachverhalt so präzise umschreiben, dass die Vorwürfe im objektiven und subjektiven Bereich genügend konkretisiert sind (<ref-ruling> E. 2a; <ref-ruling> E. 2b mit Hinweisen). Das Gericht ist an den in der Anklage wiedergegebenen Sachverhalt gebunden, nicht aber an dessen rechtliche Würdigung durch die Anklagebehörde (<ref-ruling> E. 2.7; <ref-ruling> E. 2a mit Hinweisen).
5.3 Für die Feststellung des angeklagten Sachverhalts ist die Anklageschrift als Ganzes relevant. Nicht ersichtlich ist, weshalb es dem Gericht verwehrt sein soll, auf die in der Anklageschrift unter dem Titel "Rechtliches" ergangenen Sachverhaltsergänzungen abzustellen. Der Beschwerdeführer legt dies auch nicht näher dar. Seine Rüge ist unbegründet, soweit darauf einzutreten ist (<ref-law>).
6. 6.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung von Art. 14 Abs. 2 VStrR (Beschwerde S. 5-10).
6.2 Für die Tatbestandsvoraussetzungen des Abgabebetrugs nach Art. 14 Abs. 2 VStrR, die bundesgerichtliche Rechtsprechung zur Arglist sowie die Haltereigenschaft im Sinne von Art. 5 Abs. 1 SVAG kann auf das Urteil 6B_79/2011 vom 5. August 2011 E. 6.3-6.5 verwiesen werden.
6.3 Die zur Diskussion stehenden Fahrzeuge waren auch nach der formellen Übertragung der Haltereigenschaft auf die B._ SA weiterhin ausschliesslich im Einsatz der A._ AG bzw. der C._ AG in D._. Entgegen den Angaben des Beschwerdeführers war die B._ SA nicht Halterin der Fahrzeuge im Sinne von Art. 5 Abs. 1 SVAG. Der Beschwerdeführer täuschte die OZD über die Haltereigenschaft der B._ SA. Die Vorinstanz stellte bereits im Urteil vom 20. Mai 2010 willkürfrei und damit für das Bundesgericht verbindlich fest, die OZD habe bis im Frühling 2003 von den wahren Verhältnissen keine Kenntnis gehabt. Sie habe nicht gewusst, dass es sich bei der B._ SA nur um eine zwecks Vortäuschung eines Halterwechsels gegründete bzw. erworbene Domizilgesellschaft handelte (vgl. Urteil 6B_79/2011 vom 5. August 2011 E. 6.1.2 und 6.5.4). Soweit der Beschwerdeführer im vorliegenden Verfahren erneut das Gegenteil behauptet (Beschwerde Ziff. 29 S. 9), ist auf die Beschwerde nicht einzutreten.
6.3 Die zur Diskussion stehenden Fahrzeuge waren auch nach der formellen Übertragung der Haltereigenschaft auf die B._ SA weiterhin ausschliesslich im Einsatz der A._ AG bzw. der C._ AG in D._. Entgegen den Angaben des Beschwerdeführers war die B._ SA nicht Halterin der Fahrzeuge im Sinne von Art. 5 Abs. 1 SVAG. Der Beschwerdeführer täuschte die OZD über die Haltereigenschaft der B._ SA. Die Vorinstanz stellte bereits im Urteil vom 20. Mai 2010 willkürfrei und damit für das Bundesgericht verbindlich fest, die OZD habe bis im Frühling 2003 von den wahren Verhältnissen keine Kenntnis gehabt. Sie habe nicht gewusst, dass es sich bei der B._ SA nur um eine zwecks Vortäuschung eines Halterwechsels gegründete bzw. erworbene Domizilgesellschaft handelte (vgl. Urteil 6B_79/2011 vom 5. August 2011 E. 6.1.2 und 6.5.4). Soweit der Beschwerdeführer im vorliegenden Verfahren erneut das Gegenteil behauptet (Beschwerde Ziff. 29 S. 9), ist auf die Beschwerde nicht einzutreten.
6.4 6.4.1 Die Täuschung führte dazu, dass die wahre Halterin nicht besteuert wurde. Zu prüfen bleibt, ob das Verhalten des Beschwerdeführers arglistig war.
6.4.2 Der Beschwerdeführer erwarb die Domizilgesellschaft einzig zum Zwecke, die steuerrechtlich relevanten Verhältnisse zu verschleiern und die Steuerbehörden zu täuschen. Die Täuschung war für diese nur schwer durchschaubar, da der Beschwerdeführer als faktisches Organ der Domizilgesellschaft nach aussen nicht in Erscheinung trat, sondern eine ihm nahestehende Person ohne jegliche Entscheidbefugnis als Organ vorschob. Zusätzlich gab er auf der Korrespondenz mit der OZD wahrheitswidrig den Absender Lugano an. Damit verschleierte er bewusst seine Verbindung zur B._ SA und den Umstand, dass es sich bei dieser um eine Gesellschaft ohne eigentliche unternehmerische Tätigkeit handelte, um eine kritische Überprüfung der Haltereigenschaft durch die OZD zu verhindern. Dieses Verhalten des Beschwerdeführers ist arglistig im Sinne von Art. 14 Abs. 2 VStrR. Die Vorinstanz weist zutreffend darauf hin, dass daran auch die von diesem ins Recht gelegten Schreiben der A._ AG an die OZD vom 27. März 2002 betreffend die Rechnungen vom 26. Februar und 1. März 2002 nichts ändern (Urteil E. 3.4 S. 13). Die Dokumente sind nicht geeignet, eine Arglist ausschliessende Leichtfertigkeit der OZD aufzuzeigen (vgl. zur Opfermitverantwortung <ref-ruling> E. 5.2 S. 80 f.; <ref-ruling> E. 3a; <ref-ruling> E. 2a; je mit Hinweisen). Weshalb die vorinstanzliche Argumentation, der Beschwerdeführer habe in der Korrespondenz der B._ SA wahrheitswidrig den Absender Lugano angegeben, widersprüchlich sein soll, ist nicht ersichtlich. Die entsprechenden Ausführungen in der Beschwerde (Beschwerde Ziff. 25 S. 8 f.) sind nicht nachvollziehbar.
6.5 Unbestritten ist, dass der vorenthaltene Betrag erheblich im Sinne von Art. 14 Abs. 2 VStrR ist (vgl. dazu Urteil 6B_79/2011 vom 5. August 2011 E. 6.3.4).
6.6 In subjektiver Hinsicht setzt der Tatbestand des Abgabebetrugs Vorsatz voraus (<ref-law> i.V.m. Art. 2 VStrR). Der Beschwerdeführer handelte mit Wissen und Willen. Die Vorinstanz geht zu Recht von einem vorsätzlichen Handeln aus. Sie wirft ihm vor, er habe mit der Übertragung der Fahrzeuge auf eine Domizilgesellschaft ohne eigentliche unternehmerische Tätigkeit und der bewussten Verschleierung seiner Verbindung zu dieser Domizilgesellschaft die Forderungen der OZD für Schwerverkehrsabgaben wissentlich und willentlich ins Leere laufen lassen (Urteil S. 13). Der Beschwerdeführer zeigt nicht auf, weshalb die vorinstanzlichen Feststellungen willkürlich sein sollen (Art. 97 Abs. 1 und <ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 2.3.2; je mit Hinweisen). Nicht stichhaltig ist der Einwand, sein Motiv sei einzig gewesen, dem Entzug der Fahrzeugausweise und der Kontrollschilder zu entgehen, um die Lastwagen weiterhin benützen zu können (Beschwerde Ziff. 30-33 S. 9 f.). Die Vorinstanz erwägt zutreffend, der Vorsatz sei auch zu bejahen, wenn die Verwirklichung des Tatbestands für den Täter eine notwendige Nebenfolge darstellt (<ref-ruling> E. 8.2).
6.7 Die Einwände des Beschwerdeführers sind unbegründet.
7. 7.1 Im Falle der Abweisung der Beschwerde im Schuldpunkt beantragt der Beschwerdeführer im Eventualantrag, von der Strafe von 2 Jahren und 10 Monaten seien lediglich 6 Monate für vollziehbar zu erklären. Zur Begründung führt er an, die Vorinstanz habe der seit den Straftaten verstrichenen Zeit von nunmehr praktisch zehn Jahren ungenügend Rechnung getragen und der neuen Verurteilung vom 25. Januar 2012 zu grosses Gewicht beigemessen. Zu berücksichtigen sei zudem, dass es an einer Schädigungsabsicht fehle und einziges nachgewiesenes Motiv die Weiterbenützung der Lastwagen gewesen sei (Beschwerde Ziff. 38 ff. S. 11).
7.2 Für Freiheitsstrafen von mehr als zwei Jahren und höchstens drei Jahren sieht das Gesetz den teilbedingten Vollzug vor (Art. 42 Abs. 1 und <ref-law>). Der Gesetzgeber geht davon aus, bei Freiheitsstrafen in dieser Höhe wiege das Verschulden (siehe <ref-law>) so schwer, dass trotz günstiger bzw. nicht ungünstiger Prognose ein Teil der Strafe zum Ausgleich des Verschuldens vollzogen werden muss (Urteil 6B_538/2007 vom 2. Juni 2008 E. 3.1.3, nicht publ. in: <ref-ruling>). Der unbedingt vollziehbare Teil darf die Hälfte der Strafe nicht übersteigen (<ref-law>). Zudem muss sowohl der aufgeschobene wie auch der zu vollziehende Teil der Freiheitsstrafe mindestens sechs Monate betragen (<ref-law>). Innerhalb des gesetzlichen Rahmens liegt die Festsetzung im pflichtgemässen Ermessen des Gerichts. Das Verhältnis der Strafteile ist so festzusetzen, dass darin die Wahrscheinlichkeit der Legalbewährung des Täters einerseits und dessen Einzeltatschuld andererseits hinreichend zum Ausdruck kommen. Je günstiger die Prognose und je kleiner die Vorwerfbarkeit der Tat sind, desto grösser muss der auf Bewährung ausgesetzte Strafteil sein. Der unbedingt vollziehbare Strafteil darf das unter Verschuldensgesichtspunkten (<ref-law>) gebotene Mass nicht unterschreiten (<ref-ruling> E. 6.3.4.3; <ref-ruling> E. 5.6).
7.3 Die vorinstanzliche Strafzumessung ist nicht zu beanstanden. Das in <ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK festgeschriebene Beschleunigungsgebot verpflichtet die Behörden, das Strafverfahren voranzutreiben, um den Beschuldigten nicht unnötig über die gegen ihn erhobenen Vorwürfe im Ungewissen zu lassen (<ref-ruling> E. 8; <ref-ruling> E. 3.3.1; <ref-ruling> E. 2a; je mit Hinweisen). Der langen Verfahrensdauer ist in erster Linie bei der Festsetzung des Strafmasses strafmindernd Rechnung zu tragen, was die Vorinstanz im Urteil vom 20. Mai 2010 tat. Eine zusätzliche Strafminderung aufgrund der seit dem 20. Mai 2010 verstrichenen Zeit war nicht zwingend. Zu berücksichtigen ist dabei, dass die Beschwerde gegen das Urteil vom 20. Mai 2010 über weite Strecken unbegründet war, weshalb der Grossteil der Schuldsprüche mit dem Urteil des Bundesgerichts 6B_79/2011 vom 5. August 2011 in Rechtskraft erwuchs. Bezüglich dieser, im Vergleich zum Abgabebetrug zudem weit schwerer wiegenden Vorwürfe blieb der Beschwerdeführer nicht im Ungewissen. Eine Strafmilderung gestützt auf <ref-law> kommt nicht in Betracht, da der Beschwerdeführer erneut straffällig wurde und ein Wohlverhalten im Sinne dieser Bestimmung zu verneinen ist.
7.4 Die Vorinstanz hat ihr Ermessen nicht überschritten, wenn sie nicht das Minimum von sechs Monaten, sondern 12 Monate für vollziehbar erklärte. Sie durfte der erneuten Straffälligkeit bei der Legalprognose Rechnung tragen. Unter Verschuldensgesichtspunkten war zudem die Höhe der Freiheitsstrafe von 2 Jahren und 10 Monaten miteinzubeziehen (oben E. 7.2), die sich am oberen Rahmen von drei Jahren Freiheitsentzug befindet, für welchen ein teilbedingter Vollzug überhaupt noch infrage kommt.
7.5 Soweit sich der Beschwerdeführer auch in diesem Zusammenhang gegen die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung wendet und geltend macht, er habe keine Schädigungsabsicht gehabt, ist auf die Beschwerde nicht einzutreten (vgl. oben E. 6.6).
8. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Die Gerichtskosten sind dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 4'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Luzern, 4. Abteilung, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 6. November 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Unseld