Sachverhalt:
A. Der 1963 geborene S._ meldete sich am 9. März 2000 wegen einer Darmkrebserkrankung und einer reaktiven Depression bei der Invalidenversicherung zum Leistungsbezug an. Die IV-Stelle des Kantons Thurgau sprach ihm mit Wirkung ab 1. April 2000 ein ganze Rente der Invalidenversicherung zu (Verfügung vom 15. September 2000). Mit Mitteilung vom 21. März 2005 bestätigte sie einen unveränderten Anspruch. Im Rahmen eines weiteren, im Jahr 2010 eingeleiteten Rentenrevisionsverfahrens liess die IV-Stelle S._ beim Institut X._ internistisch und psychiatrisch abklären (Gutachten vom 26. Januar 2011). Mit Verfügung vom 4. August 2011 hob die IV-Stelle die Rente daraufhin auf das Ende des der Zustellung folgenden Monats (bei einem ermittelten Invaliditätsgrad von 25 %) auf.
B. Die dagegen eingereichte Beschwerde des S._ wies das Verwaltungsgericht des Kantons Thurgau mit Entscheid vom 8. Februar 2012 ab.
C. S._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen und beantragen, unter Aufhebung des vorinstanzlichen Entscheids sei ihm weiterhin eine ganze Rente der Invalidenversicherung zuzusprechen. Eventuell sei die Sache zu weiteren medizinischen Abklärungen an die IV-Stelle oder das kantonale Gericht zurückzuweisen. Ferner wird um unentgeltliche Rechtspflege ersucht.

Erwägungen:
1. Mit der Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten kann unter anderem die Verletzung von Bundesrecht gerügt werden (<ref-law>). Die Feststellung des Sachverhalts kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Artikel 95 beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>). Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>). Es kann die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz von Amtes wegen berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Artikel 95 beruht (<ref-law>).
2. 2.1 Ändert sich der Invaliditätsgrad einer Rentenbezügerin oder eines Rentenbezügers erheblich, so wird die Rente von Amtes wegen oder auf Gesuch hin für die Zukunft entsprechend erhöht, herabgesetzt oder aufgehoben (<ref-law> [SR 830.1]). Anlass zur Rentenrevision gibt jede wesentliche Änderung in den tatsächlichen Verhältnissen seit Zusprechung der Rente, die geeignet ist, den Invaliditätsgrad und damit den Anspruch zu beeinflussen. Insbesondere ist die Rente bei einer wesentlichen Änderung des Gesundheitszustandes oder der erwerblichen Auswirkungen des an sich gleich gebliebenen Gesundheitszustandes revidierbar (<ref-ruling> E. 3 S. 132).
2.2 Bei der Beurteilung der Arbeitsunfähigkeit stützt sich die Verwaltung und im Beschwerdefall das Gericht auf Unterlagen, die von ärztlichen und gegebenenfalls auch anderen Fachleuten zur Verfügung zu stellen sind. Aufgabe des Arztes oder der Ärztin ist es, den Gesundheitszustand zu beurteilen und dazu Stellung zu nehmen, in welchem Umfang und bezüglich welcher Tätigkeiten die versicherte Person arbeitsunfähig ist. Hinsichtlich des Beweiswertes eines Arztberichtes ist entscheidend, ob er für die streitigen Belange umfassend ist, auf allseitigen Untersuchungen beruht, auch die geklagten Beschwerden berücksichtigt und in Kenntnis der Vorakten (Anamnese) abgegeben worden ist, ob die Beschreibung der medizinischen Situation und Zusammenhänge einleuchtet und die Schlussfolgerungen der Experten begründet sind (<ref-ruling> E. 3a S. 352 mit Hinweisen).
2.3 Bei den vorinstanzlichen Feststellungen zum Gesundheitszustand und zur Arbeitsfähigkeit der versicherten Person handelt es sich grundsätzlich um Entscheidungen über eine Tatfrage (<ref-ruling> E. 3.2 S. 397 ff.), welche das Bundesgericht seiner Urteilsfindung zugrunde zu legen hat (E. 1). Die konkrete Beweiswürdigung stellt ebenfalls eine Tatfrage dar. Dagegen ist die Beachtung des Untersuchungsgrundsatzes und der Beweiswürdigungsregeln nach <ref-law> Rechtsfrage (<ref-ruling> E. 3.2 und 4 S. 397 ff.; Urteil I 865/06 vom 12. Oktober 2007 E. 4 mit Hinweisen), die das Bundesgericht im Rahmen der den Parteien obliegenden Begründungs- bzw. Rügepflicht (<ref-law> und <ref-law>; <ref-ruling> E. 1.4.1 und 1.4.2 S. 254) frei überprüfen kann (<ref-law>).
3. 3.1 Die ursprüngliche Rentenzusprache beruhte auf der Beurteilung des Hausarztes Dr. med. K._, FMH für Allgemeinmedizin, sowie des Allgemeinmediziners Dr. med. U._, den der Versicherte zur Gesprächstherapie konsultierte. Diagnostiziert wurde ein Zökumkarzinom bei Status nach Hemicolektomie, rechts, Resttransversumresektion und partieller Descendensresektion mit IIeodescendostomie, Omentektomie im April 1999; Status nach adjuvanter Chemotherapie während acht Monaten sowie eine reaktive depressive Verstimmung (Berichte vom 30. März 2000 und 9. Mai 2000). Während der Hausarzt von einer 30%igen Arbeitsfähigkeit in der angestammten Tätigkeit als Angestellter in der Kartonagefabrik ausging, erachtete Dr. med. U._ den Versicherten nicht mehr als arbeitsfähig, wobei er dabei auch invalidenversicherungsrechtlich nicht relevante psychosoziale und soziokulturelle Schwierigkeiten mitberücksichtigte. Bis zum interdisziplinären Gutachten des Instituts X._ wurde nicht mehr umfassend untersucht - es liegen lediglich Verlaufsberichte von behandelnden Ärzten vor.
3.2 Das kantonale Gericht hat gestützt auf das als beweiskräftig erachtete Gutachten des Instituts X._ vom 26. Januar 2011 festgestellt, der Gesundheitszustand des Versicherten habe sich im Vergleich zum Zeitpunkt der ursprünglichen Rentenzusprache (September 2000) wesentlich verbessert; die rezidivierende depressive Störung, gegenwärtig leichte Episode (ICD-10 F33.0), die Schmerzverarbeitungsstörung (ICD-10 F54), das Zökum ascendens Karzinom (ICD-10 C18.2; seither rezidivfrei) sowie die rezidivierende Nephrolithiasis seien demgemäss ohne Einfluss auf die Arbeitsfähigkeit. Für jegliche leichte bis mittelschwere Tätigkeiten bestehe somit eine vollständige Arbeitsfähigkeit.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer beanstandet, dass das kantonale Gericht bei der Beurteilung des ihm verbliebenen Leistungsvermögens wesentlich auf das Gutachten des Instituts X._ abgestellt hat, da dieses den Anforderungen an ein beweiskräftiges Gutachten nicht entspreche. Überdies seien seine Deutschkenntnisse für die Begutachtung ohne Dolmetscher nicht ausreichend gewesen. Dies ist nicht stichhaltig: Die Gutachter des Instituts X._ haben den Gesundheitszustand des Beschwerdeführers in internistischer und psychiatrischer Hinsicht gründlich untersucht und auch die damals schon vorhandenen ärztlichen Stellungnahmen in ihre Beurteilung mit einbezogen. Wie die Vorinstanz bereits festhielt, wurde im Gutachten vermerkt, dass der Beschwerdeführer über sehr gute Deutschkenntnisse verfüge. Ob die Abklärung in der Muttersprache der versicherten Person oder mit einer Übersetzungshilfe durchzuführen ist, hat grundsätzlich der Arzt oder die Ärztin im Rahmen sorgfältiger Auftragserfüllung zu entscheiden (AHI 2004 S. 143, I 245/00 E. 4.2.1). Es bestehen nirgends Hinweise darauf, dass die Aussagekraft und damit die beweismässige Verwertbarkeit des Gutachtens durch Verständigungsschwierigkeiten in Frage gestellt wäre. Warum die Experten des Instituts X._ die verbliebene Arbeitsfähigkeit insgesamt günstiger einstuften als die übrigen den Beschwerdeführer behandelnden Ärzte, die im Wesentlichen von einem stationären Zustand ausgingen, wurde sodann im Gutachten schlüssig dargelegt. Allein aus dem Umstand, dass mehrere Ärzte die Arbeitsfähigkeit geringer einschätzten, ist nicht auf eine offensichtliche Unrichtigkeit der von den Gutachtern des Instituts X._ vertretenen Ansicht zu schliessen. Auch die gegenüber der Vorinstanz erhobenen Willkürrüge entbehrt jeglicher Rechtfertigung. Dass das kantonale Gericht im Rahmen freier Beweiswürdigung (<ref-law>) der im Gutachten des Instituts X._ in Berücksichtigung der relevanten Vorakten und der geklagten Beschwerden und aufgrund eines interdisziplinären, spezialärztlichen Konsensus' attestierten Arbeitsfähigkeit von 100 % für eine leidensadaptierte Tätigkeit beweismässig ausschlaggebendes Gewicht beigemessen hat, ist - mit Blick auf die vorinstanzlich vollständige und inhaltlich korrekte Darlegung der medizinischen Aktenlage sowie deren sorgfältige und objektive Prüfung (vgl. <ref-ruling> E. 4.1 S. 400) - weder offensichtlich unrichtig noch willkürlich oder sonstwie bundesrechtswidrig. Die weiteren gegen die Beweistauglichkeit des Gutachtens des Instituts X._ vorgebrachten Argumente hat das kantonale Gericht bereits zutreffend entkräftet. Es hat namentlich schon ausgeführt, dass weder im Bericht des Medizinischen Zentrums Y._ (vom 15. Juni 2011) noch im Bericht des Dr. med. U._ vom 15. September 2011 nachvollziehbar dargelegt wurde, weshalb keinerlei Tätigkeit mehr zumutbar sein soll. Gleiches gilt für den Verlaufsbericht des Dr. med. K._, Allgemeinmedizin FMH, vom 29. Juni 2010, welcher nicht ausführte, wie sich die angegebene, chronische depressive Verstimmung, welche unter Medikamenten in Remission sei, auf die Arbeitsfähigkeit auswirkt. Zudem verfügen weder er noch Dr. med. U._ über einen Facharzttitel in Psychiatrie und Psychotherapie. Überdies stösst die Kritik, der psychiatrische Gutachter habe seine Befunde nicht nach den AMDP-Richtlinein erhoben, ins Leere, da die Rechtsprechung solchen Testverfahren höchstens ergänzende Funktion zuerkennt, während die klinische Untersuchung mit Anamneseerhebung, Symptomerfassung und Verhaltensbeobachtung entscheidend bleibt (Urteile I 391/06 vom 9. August 2006 E. 3.2.2 und 9C_458/2008 vom 23. September 2008 E. 4.2). Auch wenn im Gutachten des Instituts X._ unter der Rubrik "Stellungnahme zur Selbsteinschätzung" (Ziff. 4.1.7) fälschlicherweise aufgeführt wurde, der Versicherte nehme die verordneten Antidepressiva gemäss den Blutuntersuchungen gar nicht ein, obwohl die Laboruntersuchungen vom 6. Dezember 2010 hingegen ergaben, dass Sertralin im Referenzbereich, und nur der Serumspiegel für Trimipramin im nicht messbaren Bereich lag (Ziff. 3.3.1.1), ändert dies nichts an der zutreffenden Aussage, dass die Laboruntersuchung eine zu geringe Einnahme eines verordneten Antidepressivums ergab, und dass damit die leichte depressive Störung nicht adäquat behandelt ist. Dieser Feststellung massen die Ärzte mit Blick auf die Schlussfolgerungen zur Arbeitsfähigkeit ohnehin kein ausschlaggebendes Gewicht bei. Nach dem Gesagten vermögen die Vorbringen in der Beschwerde die Schlüssigkeit des Administrativgutachtens nicht in Frage zu stellen.
4.2 Unter den gegebenen Umständen hat die Vorinstanz - weder in Verletzung des Untersuchungsgrundsatz noch des Anspruchs auf rechtliches Gehör nach <ref-law> - in zulässiger antizipierender Beweiswürdigung (vgl. <ref-ruling> E. 5.2 S. 69; <ref-ruling> E. 5.3 S. 236; Urteil 8C_682/2011 vom 12. Oktober 2011 E. 3.2.4) auf weitere Abklärungen verzichtet, weshalb auch der eventualiter beantragten Rückweisung nicht stattzugeben ist. Nach dem Gesagten bleibt die vorinstanzliche Beweiswürdigung - wie die Sachverhaltsfeststellungen betreffend die Arbeitsfähigkeit - für das Bundesgericht verbindlich (E. 1).
5. 5.1 Die Frage, ob ein so genannt leidens- oder behinderungsbedingter Abzug (<ref-ruling> E. 5.2 S. 301 mit Hinweisen) vom auf tabellarischer Grundlage ermittelten Invalidenlohn nach Massgabe der in <ref-ruling> aufgestellten Grundsätze vorgenommen werden kann, ist rechtlicher Natur und insoweit vom Bundesgericht frei überprüfbar (<ref-ruling> E. 5.1 S. 72).
5.2 Das kantonale Gericht hat dem Beschwerdeführer - entgegen seinem Einwand - beim Einkommensvergleich zu Recht keinen Leidensabzug gewährt. Da, wie vorstehend (E. 4 hievor) erörtert, der Beschwerdeführer in einer angepassten Tätigkeit zu 100 % arbeitsfähig ist, ist mangels entsprechend verminderter Arbeitsfähigkeit in einer adaptierten Tätigkeit kein Leidensabzug gerechtfertigt. Die übrigen Faktoren der Invaliditätsbemessung werden nicht angefochten. Es besteht kein Anlass für eine nähere Prüfung von Amtes wegen (<ref-ruling> E. 1b und 2c S. 415 ff.; <ref-ruling> E. 4a S. 53). Das kantonale Gericht hat folglich- bei einem ermittelten Invaliditätsgrad von 25 % - zu Recht die Rentenaufhebung bestätigt (<ref-law>).
6. Dem Ausgang des Verfahrens entsprechend hat der Beschwerdeführer die Gerichtskosten zu tragen (<ref-law>). Die unentgeltliche Rechtspflege kann ihm wegen Aussichtslosigkeit der Beschwerde nicht gewährt werden (<ref-law>; <ref-ruling> E. 2.3.1 S. 135 f.).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 500.- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Verwaltungsgericht des Kantons Thurgau und dem Bundesamt für Sozialversicherungen schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 2. Juli 2012
Im Namen der I. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Ursprung
Die Gerichtsschreiberin: Polla