Sachverhalt: A. Gemäss Anklage nahm X._ in der Zeit von Frühling/Sommer 2000 (frühestens 16. März 2000) bis zum 19. April 2004 regelmässig sexuelle Handlungen mit seiner Stieftochter vor. Das 1988 geborene Mädchen musste unter anderem seinen nackten Penis berühren und bis zur Ejakulation stimulieren sowie ihn oral befriedigen. X._ griff seine Stieftochter regelmässig im Schambereich aus, küsste und leckte diesen und rieb seinen Penis an ihrer Klitoris. Nachdem es ihm einmal nicht gelungen war, in seine Stieftochter einzudringen, weil sie sich massiv verkrampft hatte, legte er sich ein anderes Mal auf sie, hielt sie fest und drang vaginal in sie ein. In der Folge vollzog X._ zirka einmal wöchentlich den Geschlechtsverkehr mit ihr, wobei er einmal erfolglos versuchte, anal in sie einzudringen. B. Das Bezirksgericht Affoltern verurteilte X._ am 4. März 2010 wegen Vergewaltigung, sexueller Nötigung und sexuellen Handlungen mit Kindern, alles mehrfach sowie mehrfach versucht begangen, und mehrfacher Pornographie zu einer Freiheitsstrafe von 9 Jahren, als Zusatzstrafe zu vier Urteilen. Auf die Anklage wegen mehrfacher Pornographie trat es teilweise nicht ein. C. Das Obergericht des Kantons Zürich bestätigte die Schuldsprüche grösstenteils, sprach X._ jedoch vom Vorwurf der sexuellen Nötigung und sexuellen Handlungen mit Kindern in der Zeit von Mitte März 2000 bis Mitte Oktober 2001 (Ziff. II.2 der Anklageschrift) sowie vom Vorwurf der mehrfachen Vergewaltigung und der mehrfachen sexuellen Nötigung nach dem 14. Dezember 2002 (teilweise Ziff. V. und VI. der Anklageschrift) frei. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 5 1⁄2 Jahren, als Zusatzstrafe zu drei Urteilen. Auf die Anklage wegen mehrfacher Pornographie trat es nicht ein. Im Anschluss an die Urteilseröffnung versetzte der Vorsitzende der II. Strafkammer X._ wegen Fluchtgefahr in Sicherheitshaft. Die gegen die Abweisung des Haftentlassungsgesuchs erhobene Beschwerde in Strafsachen wurde gutgeheissen, und X._ wurde unter Anordnung von Ersatzmassnahmen aus der Sicherheitshaft entlassen (Urteil 1B_679/2012 vom 4. Dezember 2012). D. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege. 