Sachverhalt: A. A.a Das Obergericht des Kantons Luzern verurteilte X._ am 20. Mai 2010 zweitinstanzlich wegen mehrfachen betrügerischen Konkurses (Art. 163 Ziff. 1 i.V.m. Art. 29 StGB), mehrfachen Pfändungsbetrugs (Art. 163 Ziff. 1 i.V.m. Art. 29 StGB), mehrfacher Urkundenfälschung (Art. 251 Ziff. 1 StGB), Erschleichung einer falschen Beurkundung (Art. 253 Abs. 1 StGB), mehrfacher Veruntreuung (Art. 138 Ziff. 1 i.V.m. Art. 29 StGB), mehrfachen untauglichen Versuchs der Veruntreuung (Art. 138 Ziff. 1 i.V.m. Art. 29 und Art. 22 Abs. 1 StGB) und mehrfachen Abgabebetrugs (Art. 14 Abs. 2 i.V.m. Art. 6 VStrR) zu einer Freiheitsstrafe von 2 Jahren und 10 Monaten, davon 12 Monate unbedingt, teilweise als Zusatzstrafe zur Strafverfügung des Amtsstatthalteramts Willisau vom 31. August 2000 und zu den Urteilen des Obergerichts des Kantons Luzern vom 27. Juni 2001 und 17. Oktober 2002 sowie als Zusatzstrafe zum Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 7. Juli 2004. Auf den Widerruf des X._ gewährten bedingten Vollzugs der Freiheitsstrafen gemäss der Strafverfügung vom 31. August 2000 sowie den Urteilen vom 27. Juni 2001 und 17. Oktober 2002 verzichtete es zufolge Zeitablaufs. A.b Der Verurteilung wegen Abgabebetrugs im Sinne von Art. 14 Abs. 2 VStrR liegt folgender Sachverhalt zugrunde: Die A._ AG war Halterin mehrerer schwerverkehrsabgabepflichtiger Fahrzeuge, für welche sie in den Jahren 2001 und 2002 die ausstehenden Schwerverkehrsabgaben (LSVA) nicht beglich. Die Eidgenössische Oberzolldirektion (OZD) liess die A._ AG mit Zahlungsbefehl vom 26. Juni 2002 für die LSVA des Jahres 2001 im Betrag von Fr. 434'291.90 betreiben. Am 25./26. Juni 2002 sowie 2. und 30. Juli 2002 liess der Beschwerdeführer die Halterschaft an zehn Fahrzeugen von der A._ AG auf die B._ SA mit Sitz in Lugano übertragen, welche die ihr in Rechnung gestellte LSVA ebenfalls nicht bezahlte. Die B._ SA war eine reine Domizilgesellschaft ohne eigentliche unternehmerische Betriebstätigkeit. Ihr Zweck bestand einzig darin, als Fahrzeughalterin für den ehemaligen Fuhrpark der A._ AG aufzutreten. Die Fahrzeuge wurden nie an den Sitz der B._ SA verbracht, sondern blieben am Sitz der A._ AG in D._ und waren dort weiter im Einsatz. Der Beschwerdeführer nahm den beschriebenen Halterwechsel kurz vor dem von der OZD angedrohten Entzug von Fahrzeugausweisen und Kontrollschildern vor in der Absicht, die Lastwagen trotz des drohenden Ausweis- und Schilderentzugs weiter benutzen zu können. B. Das Bundesgericht hiess am 5. August 2011 die Beschwerde von X._ gegen das Urteil des Obergerichts des Kantons Luzern vom 20. Mai 2010 mit Bezug auf die Verurteilung wegen mehrfachen Abgabebetrugs nach Art. 14 Abs. 2 VStrR teilweise gut und wies die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurück. Im Übrigen wies es die Beschwerde ab, soweit darauf einzutreten war (Urteil 6B_79/2011). C. Das Obergericht des Kantons Luzern sprach X._ am 21. Mai 2012 erneut des mehrfachen Abgabebetrugs schuldig und bestätigte im Strafpunkt das Urteil vom 20. Mai 2010. D. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das Urteil vom 21. Mai 2012 aufzuheben, ihn vom Vorwurf des mehrfachen Abgabebetrugs freizusprechen und zu einer (Zusatz-)Strafe von 2 Jahren Freiheitsentzug zu verurteilen, bedingt vollziehbar bei einer Probezeit von 2 Jahren. Eventualiter seien von der Strafe von 2 Jahren und 10 Monaten lediglich 6 Monate für vollziehbar zu erklären. Subeventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. 