Sachverhalt: A. X.B._ schlug Y._ am 17. Juni 2009 anlässlich einer Auseinandersetzung in der Nähe des Hauptbahnhofs Zürich von vorne zweimal mit der rechten Faust auf den Mund, während A._ diesen von hinten an den Armen festhielt. Y._ erlitt dadurch eine Hirnerschütterung, den Verlust von zwei Zähnen, eine Rissquetschwunde an der Unterlippe und eine Prellung des rechten Ellbogens. Er konnte sich losreissen und flüchtete in den Bahnhof Zürich, wo er von X.B._ eingeholt und erneut tätlich angegriffen wurde. X.A._ wusste von der Auseinandersetzung, rannte seinem Bruder, X.B._, und Y._ in Richtung Bahnhofshalle nach und schloss sich dem gewaltsamen Vorgehen gegen Letzteren an, indem er noch in rennender Bewegung mit Schwung und im Sprung mit dem rechten Fuss bewusst und gewollt gegen dessen Kopf bzw. Halsbereich trat, ihn aber verfehlte. In der Folge versuchte er mit dem Fuss gegen den Kopf- und Gesichtsbereich des halb am Boden liegenden Y._ zu treten, während X.B._ diesen festhielt und gegen den Boden drückte. Daraufhin packte er mit den Händen dessen rechten Fuss und das rechte Wadenbein, während sein Bruder ein neben ihm zur Absperrung befindliches ca. 4.7 kg schweres und ca. 1 Meter langes Eisenrohr aus dem Sockel zog, anhob und damit in Richtung Kopf bzw. Nacken von Y._ schlug. X.A._ nahm den Griff seines Bruders zur Eisenstange wahr und liess den Fuss und die Wade von Y._ los, um dem Schlag mit der Stange auszuweichen. Als sein Bruder die Eisenstange erneut zum Schlag anhob, traktierte er Y._ weiter mit Fusstritten. Y._ konnte flüchten, als unbeteiligte Passanten eingriffen und die Brüder festhielten. Y._ erlitt aufgrund des Vorfalls in der Bahnhofshalle keine weiteren Verletzungen. Die Schläge mit der Eisenstange verfehlten ihn. Dem ersten Fusstritt von X.A._ aus dem Sprung heraus entging er nur durch Zufall. X.A._ wusste, dass sowohl dieser Fusstritt als auch die Schläge mit der Eisenstange geeignet waren, schwere und lebensbedrohliche Verletzungen herbeizuführen, und nahm dies in Kauf. B. Die I. Strafkammer des Obergerichts des Kantons Zürich sprach X.A._ am 25. November 2010 der versuchten schweren Körperverletzung (Art. 122 Abs. 1 bis 3 i.V.m. Art. 22 Abs. 1 StGB) schuldig und verurteilte ihn, als Zusatzstrafe zum Urteil der II. Strafkammer des Obergerichts des Kantons Zürich vom 28. April 2009, zu einer Freiheitsstrafe von 3 1/2 Jahren. Es verpflichtete ihn solidarisch mit X.B._, Y._ Fr. 4'000.-- Genugtuung zu bezahlen. C. Die von X.A._ gegen das Urteil vom 25. November 2010 erhobene Nichtigkeitsbeschwerde wies das Kassationsgericht des Kantons Zürich am 22. November 2011 ab, soweit es darauf eintrat. D. X.A._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, ihn vom Vorwurf der schweren Körperverletzung freizusprechen und wegen Tätlichkeiten im Sinne von Art. 126 StGB, eventualiter wegen versuchter einfacher Körperverletzung im Sinne von Art. 123 i.V.m. Art. 22 Abs. 1 StGB schuldig zu sprechen. Im Falle einer Abweisung der Beschwerde im Schuldpunkt sei die Zusatzstrafe auf zwei Jahre festzulegen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.