Sachverhalt: A. X._ soll am 1. September 2009, um ca. 03.10 Uhr, die am 25. April 1989 geborene A._, welche nach der Maturitätsfeier zum Wohnhaus einer Kollegin unterwegs war, mit einem abgebrochenen Flaschenhals gezwungen haben, mit ihm in eine nahe gelegene Parkanlage zu gehen. Dort habe er sie unter Todesdrohungen zum Beischlaf genötigt. Am 17. September 2009, um ca. 00.05 Uhr, soll er die sich auf dem Heimweg befindliche B._, geboren am 23. September 1984, am Oberkörper gepackt, ihr ein Messer gegen den Hals gehalten, sich mit ihr zu einem in der Nähe gelegenen Schulhofareal begeben und sie dort unter Todesdrohungen zum Geschlechtsverkehr gezwungen haben. Überdies soll X._ die als Prostituierte tätige C._ am 16. April 2009 im Bereich der rechten Augenbraue in das Gesicht gebissen haben, als sie den einvernehmlichen Geschlechtsakt nach den vereinbarten 15 Minuten beenden wollte und aufgrund seines zunehmend aggressiven Verhaltens um Hilfe rief. Schliesslich werden dem Beschwerdeführer Widerhandlungen gegen das Betäubungsmittelgesetz zur Last gelegt. B. Das Bezirksgericht Zürich sprach X._ am 6. April 2011 wegen mehrfacher qualifizierter Vergewaltigung (Anklage HD und ND1), einfacher Körperverletzung (Anklage ND 2) und Übertretung des Betäubungsmittelgesetzes (Anklage ND 3 b) schuldig. Vom Vorwurf der mehrfachen Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz (Anklage ND 3 a) sprach es ihn frei. In Bezug auf den Vorwurf des geringfügigen Diebstahls (ND 2) stellte das Bezirksgericht das Verfahren ein. Es bestrafte X._ mit einer Freiheitsstrafe von 12 Jahren, unter Anrechnung der Polizei-, Untersuchungs- und Sicherheitshaft, und büsste ihn mit 500 Franken. Das Obergericht des Kantons Zürich wies mit Urteil vom 24. Oktober 2011 die auf den Strafpunkt beschränkte Berufung X._s ab und bestätigte die vom Bezirksgericht Zürich ausgefällte Freiheitsstrafe von 12 Jahren. C. X._ wendet sich mit Beschwerde in Strafsachen an das Bundesgericht. Er beantragt, das obergerichtliche Urteil vom 24. Oktober 2011 sei aufzuheben und die Sache zur Einholung eines psychiatrischen Gutachtens betreffend Feststellung seiner reduzierten Schuldfähigkeit sowie zur Neubeurteilung der Strafzumessung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Eventualiter sei die Urteilsdispositivziffer 1 des obergerichtlichen Urteils insofern abzuändern, als das Strafmass auf maximal 8 Jahre, eventuell eine andere Dauer nach richterlichem Ermessen, herabzusetzen sei. Überdies sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren. 