Sachverhalt: A. Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 11. Juni 2014 wegen versuchter vorsätzlicher Tötung (Art. 111 i.V.m. Art. 22 Abs. 1 StGB) und mehrfachen Vergehens gegen das Waffengesetz (Art. 33 Abs. 1 lit. a i.V.m. Art. 4 Abs. 1 lit. a WG) zu einer Freiheitsstrafe von 12 Jahren. Es ordnete eine ambulante Behandlung im Sinne von Art. 63 StGB während des Strafvollzugs und die Verwahrung von X._ im Sinne von Art. 64 Abs. 1 lit. b StGB an. Es verpflichtete diesen zudem, A._ Schadenersatz von Fr. 250.-- sowie eine Genugtuung von Fr. 18'000.-- zzgl. Zins zu bezahlen. Im Mehrbetrag verwies es das Genugtuungsbegehren auf den Zivilweg. B. Auf Berufung von X._ sowie Anschlussberufung der Staatsanwaltschaft und von A._ bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich am 4. März 2016 den erstinstanzlichen Schuldspruch wegen versuchter vorsätzlicher Tötung. Der Schuldspruch wegen Vergehens gegen das Waffengesetz erwuchs unangefochten in Rechtskraft. Das Obergericht verurteilte X._ zu einer Freiheitsstrafe von 14 Jahren und ordnete eine ambulante Massnahme im Sinne von Art. 63 StGB während des Strafvollzugs an. Von einer Verwahrung sah es ab. Im Zivilpunkt bestätigte es das erstinstanzliche Urteil. Das Obergericht hält folgenden Sachverhalt für erwiesen: Am 5. Mai 2012, um ca. 2.10 Uhr, kam es im Niederdorf in Zürich zu einer Auseinandersetzung zwischen X._ und A._ mit gegenseitigem Schubsen. X._ zog daraufhin eine durchgeladene Pistole aus seinem Hosenbund, entsicherte diese und schoss aus einer Distanz von maximal 60 bis 80 cm in Richtung des Oberkörpers von A._. Dieser erlitt Brustkorbverletzungen, welche zu einer unmittelbaren akuten Lebensgefahr führten. C. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, das Urteil vom 4. März 2016 im Schuld- und Strafpunkt aufzuheben und ihn wegen schwerer Körperverletzung mit einer Freiheitsstrafe von vier Jahren zu bestrafen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege. D. Die Beschwerde der Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich gegen das Urteil vom 4. März 2016 bildet Gegenstand des separaten Verfahrens 6B_463/2016.