Sachverhalt: A. Der Anklageschrift der Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat vom 29. Oktober 2008 liegen folgende Vorwürfe zugrunde: X._ versetzte Y._ am 14. Mai 2006 um ca. 5.15 Uhr bei der Hard-/Schiffbaustrasse in Zürich unvermittelt und ohne ein Wort zu sagen einen heftigen Faustschlag mitten ins Gesicht, so dass dieser richtiggehend mit den Füssen vom Boden abhob und rückwärts ungebremst mit dem Kopf auf dem Asphaltboden aufschlug. Durch den Schlag und den darauffolgenden Aufprall auf dem Boden erlitt Y._ eine schwere traumatische Hirnverletzung, die eine unmittelbare Lebensgefahr zur Folge hatte. Aufgrund der gravierenden Verletzungen war er bis am 6. Juni 2006 im Universitätsspital in stationärer Behandlung und danach bis am 11. April 2007 in einer Rehaklinik. Da er knapp ein Jahr nach dem inkriminierten Vorfall nach wie vor an schweren kognitiven und motorischen Beeinträchtigungen litt und in den Alltagsaktivitäten sowie in der Körperpflege und Nahrungsaufnahme auf die Hilfe von Drittpersonen angewiesen war, wurde er in der Folge in ein Pflegezentrum verlegt. An eine Wiederaufnahme einer ökonomisch verwertbaren beruflichen Tätigkeit ist gemäss ärztlicher Einschätzung nicht mehr zu denken. Am Morgen des 19. Januar 2007 schlug X._ A._ auf einem Parkplatz in Gossau mit der Faust ins Gesicht, woraufhin dieser bewusstlos zu Boden fiel. A._ erlitt Verletzungen in der linken Gesichtshälfte. Der Schlag war derart heftig, dass sich X._ dadurch zwei Mittelhandknochen brach. Am 21. Februar 2006 wurde anlässlich einer Personenkontrolle in der rechten Jackentasche von X._ ein Aluminiumschlagring gefunden, den dieser ungefähr seit März 2005 mit sich trug. B. Das Bezirksgericht Zürich sprach X._ am 12. März 2009 der mehrfachen Körperverletzung im Sinne von Art. 123 Ziff. 1 Abs. 1 StGB zum Nachteil von Y._ und A._, der fahrlässigen schweren Körperverletzung im Sinne von Art. 125 Abs. 1 und 2 StGB zum Nachteil von Y._ sowie der mehrfachen Widerhandlung gegen das Waffengesetz im Sinne von Art. 33 Abs. 1 lit. a und Abs. 2 i.V.m. Art. 4 Abs. 1 lit. d WG schuldig. Es widerrief die mit Urteil des Militärgerichts 6 vom 6. Dezember 2005 ausgefällte bedingte Gefängnisstrafe von 20 Tagen und verurteilte X._ unter Einbezug der widerrufenen Strafe zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren als Gesamtstrafe sowie zu einer Busse von Fr. 300.--. Den Vollzug der Freiheitsstrafe schob es im Umfang von 18 Monaten auf. Für die Dauer der Probezeit von drei Jahren erteilte es ihm die Weisung, sich einer gewaltvermeidenden deliktsorientierten Therapie zu unterziehen. C. Gegen das Urteil des Bezirksgerichts vom 12. März 2009 meldeten die Staatsanwaltschaft, Y._ und X._ Berufung an. Die Berufungen der Staatsanwaltschaft und von X._ richteten sich gegen den Strafpunkt, während Y._ einen Schuldspruch wegen (eventual-)vorsätzlicher schwerer Körperverletzung beantragte. Die I. Strafkammer des Obergerichts des Kantons Zürich trat mit Beschluss vom 25. März 2010 bezüglich der angefochtenen Straftat zum Nachteil von Y._ auf die Anklage nicht ein und überwies die Akten der Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat mit dem Ersuchen, die Anklageschrift um den Vorwurf der (eventual-)vorsätzlichen schweren Körperverletzung zum Nachteil von Y._ zu ergänzen und bei der zuständigen Instanz einzureichen. Auf die Beschwerde in Strafsachen von X._ gegen den Beschluss vom 25. März 2010 trat das Bundesgericht mit Urteil 1B_159/2010 vom 25. Mai 2010 nicht ein. D. Am 23. September 2010 erhob die Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat erneut Anklage gegen X._. Das Bezirksgericht Zürich nahm am 4. Juli 2011 von der Rechtskraft der Schuldsprüche wegen einfacher Körperverletzung zum Nachteil von A._ und mehrfacher Widerhandlung gegen das Waffengesetz sowie der Busse von Fr. 300.-- Vormerk. Es erklärte X._ wiederum wegen einfacher und fahrlässiger schwerer Körperverletzung zum Nachteil von Y._ schuldig und bestätigte im Strafpunkt sein Urteil vom 12. März 2009. E. Auf Berufung der Staatsanwaltschaft und von Y._ hin sprach die II. Strafkammer des Obergerichts des Kantons Zürich X._ am 6. März 2012 der eventualvorsätzlichen schweren Körperverletzung schuldig und bestrafte ihn unter Einbezug des Schuldspruchs wegen einfacher Körperverletzung zum Nachteil von A._ mit vier Jahren Freiheitsentzug. Es ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante therapeutische Massnahme an. Die Anschlussberufung von X._ im Strafpunkt wies es ab. F. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das Urteil des Obergerichts vom 6. März 2012 und den Beschluss des Obergerichts vom 25. März 2010 aufzuheben, das Urteil des Bezirksgerichts vom 12. März 2009 im Schuldpunkt zu bestätigen, eine Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren auszusprechen und die Strafe zugunsten einer ambulanten Massnahme ganz aufzuschieben. Eventualiter sei er zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 18 Monaten, subeventualiter zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten zu verurteilen. In allen Fällen sei die unbedingt zu vollziehende Strafe nicht höher als 6 Monate anzusetzen. Subsubeventualiter sei die Sache zur Festsetzung der Strafe an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. 