Sachverhalt: A. Die Staatsanwaltschaft wirft X._ vor, er habe seine schwangere Freundin am 26. August 2009 nach einer verbalen und tätlichen Auseinandersetzung auf dem Boden liegend im Schwitzkasten gehalten und seitlichen Druck gegen ihren Hals bzw. Kopf ausgeübt. Dabei habe sie unter anderem einen Bruch des zweiten Halswirbelkörpers mit Frakturausläufern in den Wirbelbogen sowie eine Halsmarkquetschung erlitten, und sei zufolge der Unterbrechung zentraler Nervenleitungen verstorben, wobei auch der Embryo gestorben sei. Ferner habe X._ im Februar/März 2007 mit B._ den Geschlechtsverkehr vollzogen, obwohl er gewusst habe, dass sie damit nicht einverstanden sei, da sie ihm das gesagt und sich gewehrt habe, worauf er sie mit einer Hand am Hals gewürgt habe, bis sie ihren Widerstand aufgegeben habe. B. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ zweitinstanzlich wegen vorsätzlicher Tötung, strafbaren Schwangerschaftsabbruchs und Vergewaltigung zu einer Freiheitsstrafe von 16 Jahren. C. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen im Hauptpunkt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und er sei freizusprechen. Eventualiter sei er wegen Unterlassung der Nothilfe schuldig zu sprechen. Der Beschwerdeführer ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.