Sachverhalt: A. Das Obergericht des Kantons Zürich erkannte X._ am 2. März 2011 der schweren Körperverletzung (Art. 122 Abs. 1 StGB) zum Nachteil von A._, der fahrlässigen einfachen Körperverletzung (Art. 125 Abs. 1 StGB) zum Nachteil von B._ und des Vergehens gegen das Waffengesetz (Art. 33 Abs. 1 lit. a WG) schuldig und verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 4 Jahren und 3 Monaten. Auf den Widerruf der mit Strafbefehl der Bezirksanwaltschaft Winterthur vom 22. Juli 2004 ausgefällten bedingten Freiheitsstrafe von 7 Tagen verzichtete es. Es verpflichtete ihn, solidarisch mit D._, der C._ AG Fr. 20'685.-- Schadenersatz und A._ eine Genugtuung von Fr. 12'000.-- zu bezahlen. Die Schadenersatz- und Genugtuungsforderungen von B._ hiess es im Umfang von Fr. 5'308.-- (Schadenersatz) und Fr. 4'000.-- (Genugtuung) gut. Für den weiteren Schaden von B._ erklärte es X._ dem Grundsatz nach schadenersatzpflichtig. Den Verurteilungen liegen folgende Sachverhalte zugrunde: Am 7. Januar 2006 folgten X._ und D._ A._ um ca. 2.40 Uhr nach dem Verlassen eines Restaurants in Winterthur unbemerkt. Als dieser sein in der Nähe parkiertes Fahrzeug aufschliessen wollte, schleuderte ihm X._ einen Bierhumpen mit einem Fassungsvermögen von 0,4 Litern, den er aus dem Restaurant mitgenommen hatte, aus einer Distanz von etwa 1,5 bis 2 Metern gegen den Kopf. A._ wurde an der linken Gesichtshälfte getroffen und fiel sofort zu Boden. Er erlitt eine Schädel-Hirnverletzung, an deren Folgen er ohne notfallmässige neurochirurgische Intervention gestorben wäre. Daraufhin trat X._ zusätzlich mit den Füssen gegen den Kopf und Rücken von A._ ein, bis E._ diesem zu Hilfe kam. X._ war sich der Wirkung des Wurfs eines Bierhumpens aus kurzer Entfernung bewusst. Am 31. Mai 2008 um ca. 20.20 Uhr schlug und stiess X._ B._ in Neftenbach derart, dass er das Gleichgewicht verlor und über die rund 70 cm hohe Kirchenmauer nach hinten 4,4 Meter in die Tiefe fiel, wodurch er einen Bruch des rechten Unterschenkels erlitt. X._ wusste, dass ein Gerangel und Schubsen beim ungleichen Grössen- und Gewichtsverhältnis der beiden Beteiligten vor der lediglich etwa 70 cm hohen Mauer gefährlich war. Er hätte mit einer Körperverletzung rechnen müssen, tat dies aber nicht. Am 12. November 2005 trug X._ auf einem öffentlichen Parkplatz in Winterthur auf dem Beifahrersitz des Fahrzeugs von D._ sitzend ein Elektroschockgerät auf sich, wozu er nicht berechtigt war. B. Das Kassationsgericht des Kantons Zürich wies die von X._ gegen das Urteil des Obergerichts vom 2. März 2011 erhobene kantonale Nichtigkeitsbeschwerde am 19. April 2012 ab, soweit es darauf eintrat. C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das Urteil des Obergerichts vom 2. März 2011 und den Beschluss des Kassationsgerichts vom 19. April 2012 aufzuheben, ihn freizusprechen und auf die Zivilansprüche nicht einzutreten. Eventualiter sei die Sache an das Bezirksgericht Winterthur zur Neubeurteilung zurückzuweisen. Subeventualiter sei er mit einer bedingten Freiheitsstrafe von zwei Jahren zu bestrafen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. 