Sachverhalt: A. A.a Das Bezirksgericht Horgen erklärte X._ am 25. Februar 2009 wegen Betrugs und Veruntreuung zum Nachteil von Y._ schuldig. In Gutheissung der Berufung sprach ihn das Obergericht des Kantons Zürich am 16. November 2009 frei. A.b Das Bundesgericht hob das Urteil des Obergerichts am 8. Juni 2010 auf Beschwerde von Y._ hin auf und wies die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurück (Urteil 6B_22/2010). A.c Das Obergericht des Kantons Zürich befand X._ mit Urteil vom 16. Dezember 2010 der Veruntreuung und des Betrugs schuldig. Es auferlegte ihm eine bedingte Freiheitsstrafe von 15 Monaten, als Zusatzstrafe zum Strafbefehl der Staatsanwaltschaft Limmattal/Albis vom 2. Juni 2008, und hiess die Schadenersatzforderung von Y._ von Fr. 476'129.10 nebst Zins gut. Das Bundesgericht hob dieses Urteil wegen Verletzung des Anspruchs von X._ auf rechtliches Gehör am 20. Juni 2011 auf und wies die Sache erneut an die Vorinstanz zurück (Urteil 6B_57/2011). A.d Am 8. Dezember 2011 sprach das Obergericht des Kantons Zürich X._ vollumfänglich frei. Das Bundesgericht hiess die Beschwerde der Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich am 30. März 2012 gut und wies die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurück (Urteil 6B_35/2012). B. Am 22. August 2012 verurteilte das Obergericht des Kantons Zürich X._ wegen Veruntreuung (Art. 138 Ziff. 1 Abs. 2 StGB) und Betrugs (Art. 146 Abs. 1 StGB) zum Nachteil von Y._ zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 15 Monaten. Es verpflichtete ihn, dieser Fr. 476'129.10 Schadenersatz zzgl. Zins zu bezahlen. Das Obergericht geht von folgendem Sachverhalt aus: X._ war als Sachbearbeiter für die A._ AG tätig. In dieser Funktion betreute er Y._, eine langjährige Kundin der A._ AG. Am 30. Juni 1998 liess er Y._ einen von ihm vorbereiteten Auslieferungsauftrag zukommen, wonach die UBS Zürich angewiesen wurde, die "gesamten Anteile" im Depot xxx an die Bankverbindung UBS Zürich, Depotnummer yyy auszuliefern. Das Schreiben trug den Hinweis "Vermerk: X._ melden". Der Inhaber des Depots Nr. yyy wurde darin nicht benannt. Y._ unterschrieb den Auslieferungsauftrag und leitete ihn an die UBS Zürich weiter. Sie war sich nicht bewusst, dass sie dadurch die Überweisung von 30 Swiss Life Aktien im Wert von damals Fr. 37'110.-- auf das private Depot von X._ veranlasste. Dieser verkaufte die Aktien am 27. Juli 1998 für Fr. 35'050.20, ohne Y._ gegenüber Rechenschaft abzulegen, und verwendete den Erlös für eigene Anlagen. X._ schlug Y._ weiter vor, zwei Lebensversicherungen kurz vor dem ordentlichen Ablauf der 15-jährigen Versicherungsdauer am 1. Dezember 1998 zu beleihen und die Gelder durch ihn mittel- bis langfristig gut und sicher anzulegen. Im August und September 1998 stellte er ihr die entsprechenden Unterlagen zur Unterschrift zu. Die aus den Policendarlehen freigewordenen Beträge von insgesamt Fr. 441'078.90 liess er durch Y._ im September bzw. November 1998 auf sein Depot Nr. yyy bei der UBS überweisen, wo er sie mit seinem eigenen Geld vermischte und für eigene Bedürfnisse verwendete. C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das Urteil vom 22. August 2012 aufzuheben, ihn freizusprechen und die Schadenersatzbegehren von Y._ auf den Zivilweg zu verweisen. Eventualiter sei das Verfahren zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.