Faits: A. Ressortissant marocain né en 1965, X._ vit en Suisse depuis 1982. Les autorités zurichoises lui ont successivement délivré une autorisation de séjour, puis une autorisation d'établissement. D'un premier mariage, dissous en 1999, avec une ressortissante suisse, il a un fils, né en 1993, de nationalité suisse, qui vit auprès de lui. D'un second mariage, dissous en 2011, avec une ressortissante ukrainienne au bénéfice d'une autorisation d'établissement en Suisse, il a une fille, née en 2006, qui vit avec sa mère. X._ a fait l'objet des condamnations pénales suivantes: Le 28 octobre 1991, à une amende de CHF 200.- pour abus de permis et de signes. Le 18 décembre 1995, à 18 mois d'emprisonnement avec sursis pendant trois ans pour instigation à vol simple et complicité de vol qualifié. Le 7 février 2002, à trente jours d'emprisonnement avec sursis pendant deux ans pour infraction à la législation sur les étrangers. Le 16 novembre 2009, à une peine privative de liberté de sept ans et cinq mois pour crime contre la loi sur les stupéfiants et fabrication de fausse monnaie. Le 6 mai 2010, la Direction de la sécurité du canton de Zurich a révoqué l'autorisation d'établissement dont bénéficiait X._ et lui a imparti un délai pour quitter la Suisse. La révocation de l'autorisation d'établissement a été confirmée en dernière instance par arrêt du Tribunal fédéral du 14 septembre 2011 (cause 2C_192/2011). Les autorités zurichoises ont alors imparti à l'intéressé un nouveau délai au 10 avril 2012 pour quitter la Suisse. Le 21 novembre 2011, l'Office fédéral des migrations a par ailleurs prononcé une interdiction d'entrée en Suisse pour une durée indéterminée à l'encontre de X._. Un recours formé par l'intéressé auprès du Tribunal administratif fédéral est pendant, mais n'a pas été assorti de l'effet suspensif. B. Le 17 janvier 2012, X._ et A._, ressortissante italienne née en 1961, au bénéfice d'une autorisation d'établissement en Suisse, divorcée et domiciliée à S._, ont requis l'ouverture d'une procédure préparatoire en vue de mariage. L'Office d'état civil de T._ a invité X._ à lui faire parvenir toute pièce prouvant la légalité de son séjour en Suisse. Le 10 avril 2012, l'intéressé a demandé au Service de la population du canton de Vaud (ci-après : le Service cantonal) la délivrance d'une admission provisoire afin qu'il puisse contracter mariage. Le 20 juin 2012, le Service cantonal a refusé de donner une suite positive à cette demande. X._ a recouru contre cette décision auprès du Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de droit administratif et public (ci-après : le Tribunal cantonal). Par arrêt du 29 août 2012, celui-ci a rejeté le recours et confirmé la décision du Service cantonal du 20 juin 2012. Les juges cantonaux ont retenu, en substance, qu'en raison des infractions pénales graves qu'il avait commises et nonobstant la présence en Suisse de ses deux enfants, X._ ne pourrait, après un éventuel mariage, prétendre à une autorisation de séjour. L'intéressé ne disposant d'aucune perspective sérieuse de rester en Suisse après son éventuel mariage, le rejet de sa requête de séjour temporaire était justifié. C. Par acte du 1er octobre 2012, X._ dépose un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral. Il conclut, sous suite de frais et dépens, à ce que l'arrêt du 29 août 2012 soit réformé et qu'une attestation temporaire de légalité du séjour en vue de mariage lui soit délivrée. Subsidiairement, il requiert le renvoi de la cause au Tribunal cantonal pour nouvelle instruction et nouvelle décision dans le sens des considérants. Il sollicite en outre le bénéfice de l'assistance judiciaire. Le Service cantonal et le Tribunal cantonal ont renoncé à se déterminer sur le recours. La Direction de l'état civil du canton de Vaud a relevé que la procédure préparatoire de mariage était suspendue jusqu'à droit connu dans la présente procédure et s'est référée à l'arrêt attaqué et à la jurisprudence du Tribunal fédéral. L'Office fédéral des migrations conclut au rejet du recours.