Sachverhalt: A. A.a Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 20. März 2012 wegen qualifizierter Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz (Art. 19 Ziff. 1 al. 3, 4 und 5 i.V.m. Art. 19 Ziff. 2 lit. a aBetmG), Geldwäscherei (Art. 305bis Ziff. 1 StGB) und Betrugs zum Nachteil der Sozialen Dienste Zürich (Art. 146 Abs. 1 StGB) zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren. Auf den Widerruf des bedingten Vollzugs der vom Bezirksgericht Bülach am 12. Juli 2005 ausgefällten Gefängnisstrafe von 9 Monaten verzichtete es. A.b Auf Berufung von X._ hin trat das Obergericht des Kantons Zürich am 24. September 2012 bezüglich des Betrugsvorwurfs in einem Punkt auf die Anklage nicht ein. In einem weiteren Punkt sprach es ihn frei. Im Übrigen bestätigte es die Schuldsprüche wegen qualifizierter Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz, Geldwäscherei und Betrugs sowie das Strafmass und den Verzicht auf den Widerruf der bedingten Strafe vom 12. Juli 2005. Das Obergericht hält folgenden Sachverhalt für erwiesen: X._ übernahm im Juni 2008 im Auftrag der Drogenhändlerin A.A._ von deren Ehemann B.A._ in einer Wohnung in Zürich einen Koffer mit mindestens 600 Gramm Kokaingemisch mit einem Reinheitsgrad von 50 % und übergab diesen am Hauptbahnhof Zürich einer aus Italien stammenden Person. Eine Woche später nahm er im Auftrag von A.A._ an der Militärstrasse in Zürich von einer ihm unbekannten Person ein Couvert mit Fr. 40'000.-- in bar entgegen, das er B.A._ aushändigte. X._ nahm zumindest in Kauf, dass sich im transportierten Koffer Kokain in der genannten Menge befand und das Geld im Couvert aus dem Drogenhandel von A.A._ stammte. X._ wurde zwischen November 2007 und September 2008 vom Sozialen Dienst Zürich finanziell unterstützt. Er verschwieg, dass er im November und Dezember 2007 sowie vom 11. April bis Ende Mai 2008 und vom 21. August bis am 2. September 2008 im Ausland weilte und folglich keinen oder höchstens einen reduzierten Anspruch auf Sozialhilfeleistungen hatte. Er bewirkte dadurch, dass ihm - nach Abzug eines Montags infolge Anspruchs auf Ferienabwesenheit - während rund drei Monaten Leistungen von einigen Tausend Franken zu Unrecht ausgerichtet wurden. B. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, das Urteil vom 24. September 2012 aufzuheben, ihn freizusprechen und ihm für die erstandene Untersuchungshaft eine Genugtuung von Fr. 13'400.-- zuzusprechen. Eventualiter sei die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. 