Sachverhalt: A. X._ wird vorgeworfen, Y._ am 5. Mai 2003, ca. 23.00 Uhr, bis 6. Mai 2003, ca. 03.30 Uhr, gemeinsam mit A._ nach einem Barbesuch nicht wie abgemacht in das Restaurant B._ in Solothurn zurückgebracht, sondern sie gegen ihren Willen in seine Wohnung in Grenchen verbracht und dort sexuell missbraucht zu haben. Das Opfer habe A._ oral befriedigen müssen, während X._ den Geschlechtsverkehr an ihm vollzogen habe. Danach habe es den Penis von X._ in den Mund nehmen müssen, während A._ von hinten in es eingedrungen sei. Schliesslich habe es sich wieder auf X._ setzen müssen, um mit ihm den Geschlechtsverkehr bis zum Samenerguss zu vollziehen. B. Das Obergericht des Kantons Solothurn sprach X._ im Berufungsverfahren am 31. Mai 2011 schuldig der Freiheitsberaubung und Entführung, der gemeinsamen sexuellen Nötigung und gemeinsamen Vergewaltigung (Dispositiv II Ziff. 1). Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 35 1⁄2 Monaten als Zusatzstrafe zum Urteil der Staatsanwaltschaft des Kantons Solothurn vom 25. Februar 2010. Den Vollzug der Freiheitsstrafe schob es im Umfang von 26 1⁄2 Monaten unter Ansetzung einer Probezeit von zwei Jahren auf. Im Umfang von 9 Monaten erklärte es die Freiheitsstrafe als vollziehbar (Dispositiv II Ziff. 2). Das Begehren von X._ um Entschädigung für Nachteile wies es ebenso ab wie dasjenige um Parteientschädigung für das Verfahren vor zweiter Instanz (Dispositiv III Ziff. 2 und 3). Das Obergericht sprach Y._ eine Genugtuung von Fr. 15'000.-- zu, zahlbar je zur Hälfte durch X._ und A._, unter solidarischer Haftung für den ganzen Betrag, und erklärte die Beschuldigten gegenüber ihr für die Folgen aus dem Ereignis vom 5./6. Mai 2003 solidarisch zu 100 % schadenersatzpflichtig (Dispositiv III Ziff. 4 und 5). Es regelte die Kosten und Entschädigungen für das Verfahren vor erster und zweiter Instanz (Dispositiv III Ziff. 6-13). C. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, es seien die Entscheide des Obergerichts des Kantons Solothurn vom 31. Mai 2011 und des Amtsgerichts Solothurn-Lebern vom 26. Januar 2010 aufzuheben, und er sei von den Vorwürfen der Entführung und Freiheitsberaubung sowie der gemeinsamen sexuellen Nötigung und Vergewaltigung freizusprechen. Ihm sei eine Entschädigung für Nachteile in der Höhe von Fr. 10'000.-- oder nach richterlichem Ermessen zuzusprechen. Die Zivilansprüche seien abzuweisen bzw. auf den Zivilweg zu verweisen. Die Verfahrenskosten vor erster und zweiter Instanz habe der Staat zu tragen und es sei ihm für dieses Verfahren eine Parteientschädigung auszurichten. X._ ersucht ferner um unentgeltliche Rechtspflege und um aufschiebende Wirkung der Beschwerde. 