Sachverhalt: A. Im Winter 2001/2002 nahm der 1966 geborene X._ im Bluewin-Chat "Kidstalk" Kontakt zur noch nicht 12-jährigen Y._ auf und gab sich als 14-jähriger, in der Folge als 17-jähriger Bursche aus. Y._ verliebte sich in ihn. X._ und das Mädchen begannen sich SMS zu senden. Ab Herbst 2002 liess X._ den "17-jährigen A._" an einem Tumor erkranken und sterben, wobei er sich in der Schlussphase des Sterbens als Onkel von "A._" ins Spiel einbrachte. Zuvor liess sich der "Sterbende" von Y._ mit der Begründung, die Sehkraft zu verlieren, Fotos in Unterwäsche schicken und sandte ihr ein Paket mit einem Vibrator und einer mit Sperma befleckten Unterhose. Ca. Mitte März 2003 teilte X._ Y._ den Tod von "A._" mit. Das Mädchen erfuhr in diesem Zusammenhang, dass es sich bei "A._" in Wirklichkeit um X._, d.h. um einen rund 36- resp. 37-jährigen Mann, handelte. Im Zeitraum von April bis Dezember 2003 kam es zwischen diesem und der zwischenzeitlich 13- bzw. 14-jährigen Y._ zu 15 Treffen mit sexuellen Handlungen. Diese reichten von Zungenküssen und Berührungen der Brust- und Schamgegend über Manipulationen des männlichen Glieds bis zum mehrfachen Oralverkehr (in den Mund nehmen des Penis) und zur mehrfachen Penetration der Vagina durch X._ mit einem bzw. (einmal) drei Fingern. B. Das Bezirksgericht Laufenburg sprach X._ am 12. Mai 2011 der mehrfachen sexuellen Handlungen mit einem Kind und der mehrfachen sexuellen Nötigung schuldig. Vom Vorwurf der Vergewaltigung sprach es ihn frei. Es bestrafte X._ mit einer Freiheitsstrafe von 3 1⁄2 Jahren (unter Anrechnung der eintägigen Untersuchungshaft), ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an und verpflichtete X._ zur Bezahlung von Schadenersatz von Fr. 290.-- und einer Genugtuung von Fr. 20'000.--. Das Obergericht des Kantons Aargau sprach X._ in teilweiser Gutheissung der Berufung am 23. Februar 2012 vom Vorwurf der mehrfachen sexuellen Nötigung frei. Im Übrigen wies es die Berufung ab. Es sprach ihn der mehrfachen sexuellen Handlungen mit einem Kind schuldig, verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren (unter Anrechnung der Untersuchungshaft von einem Tag), ordnete eine ambulante Behandlung ohne Strafaufschub an und bestätigte die erstinstanzliche Regelung der Zivilfolgen. C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das obergerichtliche Urteil vom 23. Februar 2012 sei aufzuheben und die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen. Eventualiter sei er in teilweiser Aufhebung des obergerichtlichen Urteils mit einer Freiheitsstrafe von maximal 24 Monaten zu bestrafen, wobei der Vollzug der Strafe aufzuschieben und eine Probezeit von zwei Jahren anzusetzen sei. (Sub-)eventualiter sei die Strafe teilbedingt auszusprechen und der zu vollziehende Teil auf maximal 12 Monate festzulegen. Von einer Massnahme nach Art. 63 StGB sei abzusehen. Eventualiter sei der Vollzug der Freiheitsstrafe zu Gunsten einer solchen Massnahme aufzuschieben. 