Sachverhalt: A. A.a. Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 19. Dezember 2011 wegen versuchter schwerer Körperverletzung und Angriffs zu einer Freiheitsstrafe von 36 Monaten, davon 18 Monate mit bedingtem Vollzug. Zudem ordnete es eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an. A.b. Das Obergericht des Kantons Zürich bestätigte am 17. Dezember 2012 die erstinstanzlichen Schuldsprüche. Es auferlegte X._ eine Freiheitsstrafe von vier Jahren und ordnete ebenfalls eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an. Dem Urteil liegt folgender Sachverhalt zugrunde: Am 6. November 2010, um ca. 00.25 Uhr, kam es in Zürich zu einer zunächst verbalen und später tätlichen Auseinandersetzung zwischen X._ und Z._ einerseits sowie Y._ und W._ andererseits. Grund dafür war, dass sich Letztere empörten, weil Erstere neben anderen Personen öffentlich und an einem stark frequentierten Ort in eine Hecke urinierten. In einer ersten Phase der Auseinandersetzung versetzte W._ Z._ einen Schlag. Zudem erfolgte ein Fusstritt gegen die Gruppe von X._. Anschliessend beruhigte sich die Situation während zwei bis drei Minuten und die Beteiligten diskutierten miteinander, bis V._ zur Gruppe von X._ hinzustiess. In der darauffolgenden zweiten Phase der Auseinandersetzung attackierte X._, zusammen mit Z._ und V._, Y._ und W._. V._ initiierte das tätliche Vorgehen, indem er W._ am Kragen packte. Daraufhin - möglicherweise weil er davon ausging, W._ habe versucht, Z._ zu schlagen - versetzte X._ Y._ mit einem ca. 1,8 Kilogramm schweren Bierbehälter aus Glas (sog. Pitcher) mit grosser Wucht einen Schlag gegen den Kopf. Y._ stürzte sofort zu Boden, worauf X._ mehrmals wuchtig mit dem Fuss auf ihn eintrat. Y._ erlitt als Folge des Schlags mit dem Pitcher eine grosse Rissquetschwunde sowie einen ausgedehnten, verschobenen, mehrteiligen Schädelknochenbruch, der dank der notfallmässigen chirurgischen Behandlung zu keiner konkreten Lebensgefahr führte. X._ und Z._ versuchten zudem gegen W._, der immer noch von V._ drangsaliert wurde, tätlich zu werden. W._ verhielt sich in dieser zweiten Phase zunächst passiv und verteidigte sich später, indem er zurückschlug und -trat. B. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, ihn wegen einfacher Körperverletzung im Sinne von Art. 123 Ziff. 2 Abs. 2 StGB zu einer bedingten Freiheitsstrafe von zwölf Monaten zu verurteilen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege. 