Sachverhalt: A. A.a. Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 15. April 2011 wegen qualifizierter Freiheitsberaubung, mehrfacher vorsätzlicher qualifizierter einfacher Körperverletzung, mehrfacher Nötigung sowie mehrfacher vorsätzlicher Verletzung der Fürsorge- oder Erziehungspflicht zu einer Freiheitsstrafe von 11 Jahren. A.b. Auf Berufung von X._ bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich am 23. November 2012 den Schuldspruch der qualifizierten Freiheitsberaubung im Sinne von Art. 183 Ziff. 1 Abs. 1 in Verbindung mit Art. 184 Abs. 4 StGB. Die Schuldsprüche wegen mehrfacher vorsätzlicher qualifizierter einfacher Körperverletzung, mehrfacher Nötigung sowie mehrfacher vorsätzlicher Verletzung der Fürsorge- oder Erziehungspflicht erwuchsen unangefochten in Rechtskraft. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 7 Jahren. Dem Urteil liegt folgender Sachverhalt zugrunde: X._ untersagte A._ (nachfolgend die Geschädigte), der Mutter seiner vier Kinder, nach ihrer Rückkehr aus dem Frauenhaus ab etwa Mitte 2005 während rund drei Jahren, die Familienwohnung ohne seine Einwilligung zu verlassen. Die Wohnung war dabei nicht mechanisch verschlossen. X._ setzte sein Verbot mit regelmässigen Schlägen und Drohungen durch. Falls sie die Wohnung verliess, musste die Geschädigte mit einer Bestrafung wegen Ungehorsams rechnen. Während seiner Ferienabwesenheiten Ende des Jahres 2007 und im Frühjahr 2008 installierte er für je rund zwei Wochen eine Überwachungskamera. Der zwangsweise Aufenthalt in der Wohnung war öfters unterbrochen, um zusammen mit X._ etwa einen Grosseinkauf zu machen, um Postchecks einzulösen, um bei seiner schweizerischen Ehefrau zu putzen oder Veranstaltungen der Kinder zu besuchen. Mit dessen Zustimmung war es der Geschädigten auch erlaubt, die Wohnung ab und zu alleine zu verlassen, etwa für Schul- und (Zahn-) Arztbesuche oder um selber Zahlungen zu machen. Zudem ging man regelmässig mit der Familie spazieren. B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, die Verurteilung wegen qualifizierter Freiheitsberaubung, die Freiheitsstrafe von 7 Jahren sowie die Kostenaufteilung seien aufzuheben, und die Sache sei zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.