Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ im Berufungsverfahren am 7. November 2006 der Vergewaltigung und der Tätlichkeiten schuldig. Vom Vorwurf des Hausfriedensbruchs sprach es ihn frei. Es verurteilte ihn zu drei Jahren Zuchthaus, unter Anrechnung der erstandenen Untersuchungshaft, und verpflichtete ihn, A._ eine Genugtuung in Höhe von Fr. 10'000.-- nebst Zinsen zu bezahlen.
Das Obergericht hielt es für erwiesen, dass X._ am 12. Juni 2005 die Wohnung von A._ aufsuchte, von der er getrennt lebte und mit der er zwei Kinder hat. Zunächst schlug er mit einem Gürtel mehrmals auf sie ein. Als sie nach dem ersten Schlag erwachte, versuchte sie zu fliehen. X._ zerrte sie auf das Bett zurück, wo er sie wieder schlug. Trotz Gegenwehr zog er ihr die Hosen herunter und entblösste seinen Penis. Er drückte ihre Schenkel auseinander und hielt ihre Handgelenke fest. Obwohl sie sich wehrte und auch verbal zu verstehen gab, dass sie keinen Geschlechtsverkehr wollte, vollzog er diesen an ihr drei Mal.
Das Bundesgericht wies die von X._ gegen dieses Urteil erhobene staatsrechtliche Beschwerde am 24. Mai 2007 ab, soweit es darauf eintrat (Verfahren 1P.101/2007).
B. X._ reichte gegen das obergerichtliche Urteil am 2. Oktober 2007 ein Wiederaufnahmegesuch ein. Er habe Gespräche aufgezeichnet, in denen A._ ausführe, es habe sich nicht um eine Vergewaltigung, sondern um einvernehmlichen Geschlechtsverkehr gehandelt. Die gegen die Abweisung seines Antrags auf Zeugeneinvernahme von B._ erhobene Nichtigkeitsbeschwerde hiess das Kassationsgericht des Kantons Zürich gut. Es erwog, die Aussagen von A._ begründeten für sich alleine keine Revision. Die obergerichtliche Schlussfolgerung, sie habe ihre Sachverhaltsdarstellung nicht widerrufen, sondern im Gegenteil daran festgehalten, sei nicht willkürlich. Die Abweisung des Antrags, B._ als Zeugen einzuvernehmen, komme aber einer formellen Gehörsverweigerung gleich. Nach erfolgter Zeugeneinvernahme von B._ wies das Obergericht des Kantons Zürich das Revisionsbegehren mit Beschluss vom 7. November 2011 ab.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, der Beschluss des Obergerichts des Kantons Zürich vom 7. November 2011 sei aufzuheben, sein Revisionsgesuch vom 2. Oktober 2007 sei gutzuheissen und die Sache sei zur Neubeurteilung an das Bezirksgericht Zürich, eventualiter an die Vorinstanz zurückzuweisen, alles unter Kosten- und Entschädigungsfolgen. Als vorsorgliche Massnahme beantragt er, der Strafvollzug sei bis zur Erledigung des Beschwerdeverfahrens aufzuschieben und die Behörden seien entsprechend anzuweisen. Zudem ersucht er um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege und Verbeiständung.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung des Willkürverbots (<ref-law>) und des Anspruchs auf rechtliches Gehör (<ref-law>), weil die Vorinstanz seinen Antrag auf Einvernahme von Dr. med. C._ (Familientherapeut) abweise (Beschwerde S. 5-10 N. 11-23).
1.2 Die Vorinstanz erwägt, die Auffassung des Beschwerdeführers, Dr. med. C._ könne Auskunft über nachträgliche Angaben von A._ geben, sei lediglich eine Annahme. Dieses Vorbringen habe er nicht weiter substanziiert. Eine solch vage Vermutung genüge nicht, um das Vorliegen neuer urteilsrelevanter Umstände glaubhaft zu machen. Es sei auch nicht Sache der Revisionsinstanz, nach Revisionsgründen zu suchen oder ein ungenügend substanziiertes Gesuch zu ergänzen (Beschluss S. 7 E. 3.2).
1.2 Die Vorinstanz erwägt, die Auffassung des Beschwerdeführers, Dr. med. C._ könne Auskunft über nachträgliche Angaben von A._ geben, sei lediglich eine Annahme. Dieses Vorbringen habe er nicht weiter substanziiert. Eine solch vage Vermutung genüge nicht, um das Vorliegen neuer urteilsrelevanter Umstände glaubhaft zu machen. Es sei auch nicht Sache der Revisionsinstanz, nach Revisionsgründen zu suchen oder ein ungenügend substanziiertes Gesuch zu ergänzen (Beschluss S. 7 E. 3.2).
1.3 1.3.1 Der Beschwerdeführer wendet ein, indem die Vorinstanz seinen Antrag auf Einvernahme des Familientherapeuten als Zeugen nicht formell abweise, verletze sie ihre Begründungspflicht (Beschwerde S. 6 N. 16).
1.3.2 Aus dem Anspruch auf rechtliches Gehör nach <ref-law> ergibt sich unter anderem, dass die Behörde die Vorbringen des vom Entscheid in seiner Rechtsstellung Betroffenen auch tatsächlich hört, prüft und in der Entscheidfindung berücksichtigt. Daraus folgt die Verpflichtung der Behörde, ihren Entscheid zu begründen. Es ist nicht erforderlich, dass sie sich mit allen Parteistandpunkten einlässlich auseinandersetzt und jedes einzelne Vorbringen ausdrücklich widerlegt. Sie kann sich auf die für den Entscheid wesentlichen Punkte beschränken. Die Begründung muss so abgefasst sein, dass sich der Betroffene über die Tragweite des Entscheids Rechenschaft geben und ihn in voller Kenntnis der Sache an die höhere Instanz weiterziehen kann (<ref-ruling> E. 5.2 mit Hinweisen).
1.3.3 Die Begründungspflicht ist nicht verletzt. Die Vorinstanz führt hinlänglich und nachvollziehbar aus, weshalb sie dem Beweisantrag des Beschwerdeführers auf Einvernahme von Dr. med. C._ keine Folge leistet. Der Beschwerdeführer war trotz des Fehlens eines formellen Entscheids in der Lage den Sinn und die Tragweite der diesbezüglichen Erwägungen der Vorinstanz zu erfassen und deren Beschluss sachgerecht anzufechten. Gegenteiliges bringt er auch nicht vor.
1.3.3 Die Begründungspflicht ist nicht verletzt. Die Vorinstanz führt hinlänglich und nachvollziehbar aus, weshalb sie dem Beweisantrag des Beschwerdeführers auf Einvernahme von Dr. med. C._ keine Folge leistet. Der Beschwerdeführer war trotz des Fehlens eines formellen Entscheids in der Lage den Sinn und die Tragweite der diesbezüglichen Erwägungen der Vorinstanz zu erfassen und deren Beschluss sachgerecht anzufechten. Gegenteiliges bringt er auch nicht vor.
1.4 1.4.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, falls Dr. med. C._ anlässlich einer Einvernahme bestätige, dass die Geschädigte ihm (dem Familientherapeuten) erzählt habe, sie sei vom Beschwerdeführer nicht vergewaltigt worden, sei dies geeignet, die Beweisgrundlage des früheren Urteils so zu erschüttern, dass ein Freispruch möglich sei. Die vorinstanzliche Erwägung, er habe nur angenommen, der angerufene Zeuge könne Auskunft über nachträgliche Angaben der Geschädigten über den Vorfall geben, sei willkürlich. Was ein Zeuge tatsächlich aussage, sei nicht voraussehbar. Sodann habe ihm der Familientherapeut gesagt, dass die Geschädigte ihm erzählt habe, der Beschwerdeführer habe sie nicht vergewaltigt. Es sei nicht ersichtlich, wie er den Beweisantrag weiter hätte substanziieren sollen. Mangels sachlicher Notwendigkeit hätte er sich dem Vorwurf einer verpönten Kontaktaufnahme mit dem Zeugen (<ref-ruling>) ausgesetzt und den Beweiswert der Zeugenaussage geschmälert, wenn er bzw. sein Verteidiger den angerufenen Zeugen kontaktiert oder befragt hätte. Die von ihm nun eingereichte Bestätigung von Dr. med. C._, wonach die Geschädigte ihm erzählt habe, er (der Beschwerdeführer) habe sie nicht vergewaltigt, sei ein zulässiges Novum im Sinne von <ref-law>, da erst der angefochtene Entscheid, insbesondere die Abweisung des Beweisantrags, Anlass dazu gegeben habe (Beschwerde S. 5-10 N. 11-23; act. 3 Beilage 2).
1.4.2 Es liegt keine Verletzung des rechtlichen Gehörs vor, wenn ein Gericht auf die Abnahme beantragter Beweismittel verzichtet, weil es auf Grund der bereits abgenommenen Beweise seine Überzeugung gebildet hat und ohne Willkür in vorweggenommener Beweiswürdigung annehmen kann, dass seine Überzeugung durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert würde (<ref-ruling> E. 5.3 mit Hinweisen).
Die Beweiswürdigung ist willkürlich, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenso vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (<ref-ruling> E. 5.4 mit Hinweisen).
Neue Tatsachen und Beweismittel dürfen vor Bundesgericht nur soweit vorgebracht werden, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt (<ref-law>). Hierbei handelt es sich um unechte Noven. Echte Noven, d. h. Tatsachen, die sich zugetragen haben, nachdem vor der Vorinstanz keine neuen Tatsachen mehr vorgetragen werden durften, sind vor Bundesgericht unbeachtlich (<ref-ruling> E. 5.2.4 S. 229; <ref-ruling> E. 2.1; je mit Hinweisen).
1.4.3 Mit dem neu eingereichten Schreiben von Dr. med. C._ vom 6. Februar 2012 will der Beschwerdeführer belegen, dass die Vorinstanz diesen hätte einvernehmen müssen. Weil dieses Schreiben im vorinstanzlichen Verfahren noch nicht vorhanden war, stellt es ein unzulässiges echtes Novum dar und ist nicht zu berücksichtigen. Im Übrigen geht der Einwand des Beschwerdeführers fehl, erst der angefochtene Entscheid habe Anlass dazu gegeben, ein solches Schreiben einzureichen. Er beantragte die Einvernahme des Familientherapeuten bereits bei der Vorinstanz und war somit gehalten, sein Gesuch schon im vorinstanzlichen Revisionsverfahren entsprechend zu begründen.
Ein weiteres unzulässiges Novum liegt vor, soweit der Beschwerdeführer geltend macht, der Familientherapeut habe ihm gegenüber bestätigt und er habe gewusst, dass die Geschädigte diesem erzählt habe, er (der Beschwerdeführer) habe sie nicht vergewaltigt (Beschwerde S. 7 N. 17 und S. 8 N. 19). Diese tatsächlichen Behauptungen finden weder im vorinstanzlichen Entscheid eine Stütze noch geht aus den Akten der Vorinstanz hervor, dass er dies bereits bei ihr vorgebracht hat (vorinstanzliche Akten Verfahren SR110012-0, insbesondere act. 36, Beilage zu act. 40, act. 41 und act. 45 f.).
1.4.4 Was der Beschwerdeführer weiter gegen die Abweisung seines Beweisantrags vorbringt, vermag nicht zu begründen, dass die Vorinstanz den Familientherapeuten zu Unrecht nicht einvernommen hat. Es ist vertretbar, dass sie die Aussage im Gesuch des Beschwerdeführers um Zeugeneinvernahme "der Beschwerdeführer ist der Auffassung" (vorinstanzliche Akten act. 36) nicht als sicheres Wissen, sondern als dessen Annahme bzw. Vermutung versteht, der Familientherapeut könne Auskunft über nachträgliche, revisionsrelevante Angaben der Geschädigten geben. Sie ist ebenso wenig in Willkür verfallen, wenn sie erwägt, der Beweisantrag sei nicht genügend substanziiert, weil der Beschwerdeführer diesen nicht weiter begründet oder belegt. Eine Substanziierung wäre aber möglich und zumutbar gewesen, wie seine neuen Vorbringen in der Beschwerde und das neu eingereichte Schreiben des Familientherapeuten veranschaulichen.
Die Hinweise des Beschwerdeführers auf die bundesgerichtliche Rechtsprechung zur Zulässigkeit einer privaten Zeugenbefragung gemäss <ref-ruling> und zu den Sorgfaltspflichten eines Anwalts gehen an der Sache vorbei. Im Gegensatz zu jenem Entscheid wäre es vorliegend durchaus gerechtfertigt gewesen, abzuklären, ob der im anhängig gemachten Revisionsverfahren anzurufende Zeuge tatsächlich etwas zur Sache aussagen kann. Es bestand somit ein sachlicher Grund (Einschätzung der Erfolgsaussichten eines Beweisantrags und des Revisionsgesuchs), um den Familientherapeuten im Interesse des Beschwerdeführers, unter Beachtung gewisser Vorsichtsmassnahmen (vgl. <ref-ruling> E. 3.2.2 mit Hinweisen), zu kontaktieren.
2. 2.1 Gemäss <ref-law> ("Wiederaufnahme des Verfahrens") haben die Kantone gegenüber Urteilen, die aufgrund des Strafgesetzbuches oder eines anderen Bundesgesetzes ergangen sind, wegen erheblicher Tatsachen oder Beweismittel, die dem Gericht zur Zeit des früheren Verfahrens nicht bekannt waren, die Wiederaufnahme des Verfahrens zu Gunsten des Verurteilten zu gestatten. Diese Bestimmung entspricht Art. 397 aStGB. Insofern bleibt die hierzu ergangene Rechtsprechung massgeblich.
Nach § 449 Ziff. 3 aStPO/ZH kann gegen ein rechtskräftiges Urteil, durch welches eine Strafe oder eine Massnahme verhängt wurde, die Wiederaufnahme des Verfahrens zu Gunsten des Verurteilten verlangt werden, wenn Tatsachen und Beweismittel geltend gemacht werden, die dem erkennenden Richter nicht bekannt waren und welche allein oder in Verbindung mit früher erhobenen Tatsachen die Freisprechung des Angeklagten oder eine mildere Bestrafung rechtfertigen.
2.2 Die Vorinstanz erwägt, die Aussagen des Zeugen B._ seien in wesentlichen Punkten unstimmig, teilweise widersprüchlich und nicht folgerichtig. Es blieben unüberwindbare Zweifel, dass die Geschädigte dem Zeugen gesagt habe, der Beschwerdeführer habe sie nicht vergewaltigt. Bei unbefangener Lektüre des Einvernahmeprotokolls entstehe der Eindruck, der Zeuge habe dies aufgrund der ambivalenten Gefühle der Geschädigten zum Beschwerdeführer in ihre Erzählungen hinein interpretiert und im Nachhinein, wie er auch geltend mache, eine "Lösung" für die Beiden gesucht. Dass die Geschädigte nicht mehr an einer Verurteilung des Beschwerdeführers interessiert sei, sei aktenkundig. Das Vorliegen eines Revisionsgrunds habe nicht glaubhaft gemacht werden können, da es generell an der Glaubhaftigkeit der Aussagen des Zeugen mangle. Folglich sei das Revisionsgesuch abzuweisen (Beschluss S. 13 f. E. III.2.4 und 3).
2.3 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz verletze <ref-law>, wende § 449 Ziff. 3 der Strafprozessordnung des Kantons Zürich vom 4. Mai 1919 (aStPO/ZH) willkürlich an und nehme eine willkürliche Beweiswürdigung vor (Beschwerde S. 10 ff. N. 24-30).
2.4 Neue Tatsachen oder Beweismittel sind erheblich, wenn sie geeignet sind, die Beweisgrundlage des früheren Urteils so zu erschüttern, dass aufgrund des veränderten Sachverhalts ein wesentlich milderes Urteil möglich ist (<ref-ruling> E. 1). Die Wahrscheinlichkeit einer Abänderung des früheren Urteils genügt für die Zulassung der Revision. Der Nachweis einer solchen Wahrscheinlichkeit darf nicht dadurch verunmöglicht werden, dass ein jeden begründeten Zweifel ausschliessender Beweis für die neue Tatsache verlangt wird (<ref-ruling> E. 4e S. 361). Ob eine neue Tatsache oder ein neues Beweismittel geeignet ist, die tatsächlichen Grundlagen des zu revidierenden Urteils zu erschüttern, ist Tatfrage. Rechtsfrage ist dagegen, ob die voraussichtliche Veränderung der tatsächlichen Grundlagen zu einem für den Verurteilten günstigeren Urteil führen kann (<ref-ruling> E. 1 mit Hinweisen).
2.5 Die Vorinstanz nimmt eine ausführliche und schlüssige Beweiswürdigung vor (Beschluss S. 8 ff. E. III). Inwiefern sie dabei in Willkür verfällt, vermag der Beschwerdeführer nicht aufzuzeigen. Sein Einwand, wonach der Zeuge B._ wohl wegen seines Alters und psychischen Zustands abschweifte und deshalb nicht in der Lage gewesen sei, selbstständig in Worte zu fassen, was die Geschädigte ihm nach dem inkriminierten Vorfall gesagt haben soll, ist unbehelflich (Beschwerde S. 12 N. 28). Er vermag nichts daran zu ändern, dass die Vorinstanz die Aussagen des Zeugen in wesentlichen Punkten als nicht stimmig und teilweise sogar als widersprüchlich qualifiziert. Entgegen der Darstellung des Beschwerdeführers muss aufgrund des Umstands, dass der Zeuge bei der Bestätigung vom 1. Oktober 2007 (Beschluss S. 9 f.; kantonale Akten act. 8/4/2) klarere Worte fand, nicht darauf geschlossen werden, dessen Aussagen seien im zentralen Punkt konstant und glaubhaft (Beschwerde S. 12 f. N. 28). Insbesondere setzt sich der Beschwerdeführer nicht mit der vorinstanzlichen Erwägung auseinander, der Zeuge widerspreche sich, wenn er zum einen erzähle, die Geschädigte habe ihm nach dem inkriminierten Vorfall berichtet, dass sie mit dem Beschwerdeführer Sex gehabt habe und es sei schön gewesen, zum anderen aber geltend mache, er habe der Geschädigten, das was sie ihm beim ersten Gespräch erzählt habe, nicht geglaubt. Dies würde voraussetzen, dass sie ihm von einer Vergewaltigung erzählt habe, und er diese "Geschichte" nicht habe glauben können. Ein solches Aussageverhalten zeuge nicht von innerer Geschlossenheit (Beschluss S. 10).
Soweit der Beschwerdeführer der vorinstanzlichen Beweiswürdigung lediglich seine eigene Sicht der Dinge gegenüberstellt, ist er nicht zu hören. So wenn er vorbringt, aufgrund einer summarischen Prüfung der Zeugenaussagen müsse die Schlussfolgerung gezogen werden, diese seien geeignet, die Beweisgrundlage des früheren Strafurteils zu erschüttern (Beschwerde S. 11 f. N. 27). Auf die Beschwerde ist auch insofern nicht einzutreten, als der Beschwerdeführer geltend macht, die Vorinstanz nehme keine Gesamtwürdigung vor. Sie hätte berücksichtigen müssen, dass neben B._ auch der Familientherapeut bestätigen könne, dass die Geschädigte nicht wahrheitsgemäss ausgesagt habe und nicht vergewaltigt worden sei (Beschwerde S. 13 N. 30). Die Vorinstanz gelangt willkürfrei zum Schluss, Letzterer sei mangels genügender Substanziierung des Antrags nicht einzuvernehmen (E. 1).
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Mit dem Entscheid in der Sache wird das Gesuch um vorsorgliche Massnahmen gegenstandslos. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (<ref-law>). Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist abzuweisen, weil die Beschwerde aussichtslos war (<ref-law>). Den finanziellen Verhältnissen des Beschwerdeführers ist mit einer reduzierten Gerichtsgebühr Rechnung zu tragen (Beschwerde S. 14 ff. N. 33-40; <ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf eingetreten wird.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 14. Mai 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Pasquini