Fatti: A. Dopo aver soggiornato una prima volta in Svizzera inizialmente nell'ambito dell'Azione Bosnia Erzegovina (maggio 1993 ad aprile 1995), poi in virtù di un'ammissione provvisoria (maggio 1995 ad aprile 1997) ed infine quale richiedente all'asilo (la domanda essendo definitivamente respinta il 24 aprile 2001), A._ (1966), cittadino bosniaco ha lasciato il nostro Paese il 15 agosto 2001. Il 3 marzo 2003 egli si è sposato in Croazia con C._ (1956), cittadina serba domiciliata in Svizzera. In seguito al matrimonio l'interessato si è visto rilasciare un permesso di dimora, trasformato in permesso di domicilio il 5 luglio 2008. Nel 2007 la consorte è diventata cittadina svizzera. B. Con decisione del 6 ottobre 2010 la Sezione della popolazione del Dipartimento delle istituzioni del Cantone Ticino ha respinto l'istanza presentata il 3 agosto precedente dalla cittadina macedone B._ (13.08.1995), figlia di A._ nata da una precedente relazione, volta al rilascio di un permesso di dimora per ricongiungersi con il padre che aveva raggiunto. La domanda è stata giudicata tardiva e non dettata da circostanze oggettive. Questa decisione è stata confermata su ricorso dapprima dal Consiglio di Stato il 23 febbraio 2011 e, in seguito, dal Tribunale cantonale amministrativo, con sentenza del 30 agosto 2011. C. Il 5 ottobre 2011 A._, agente per la figlia B._, ha presentato dinanzi al Tribunale federale un ricorso in materia di diritto pubblico con cui chiede che la sentenza cantonale sia annullata e che sia accolta la domanda di ricongiungimento della figlia. Censura, in sintesi, un apprezzamento arbitrario dei fatti e la violazione degli artt. 47 della legge federale sugli stranieri del 16 dicembre 2005 (LStr; RS 142.20) e 75 dell'ordinanza sull'ammissione, il soggiorno e l'attività lucrativa del 24 ottobre 2007 (OASA; RS 142.201), nonché dell'art. 8 CEDU. Domanda infine di essere posto al beneficio dell'assistenza giudiziaria con nomina di un avvocato d'ufficio. Con decreto presidenziale del 7 ottobre 2011 è stato concesso l'effetto sospensivo al gravame. Chiamato ad esprimersi, il Tribunale cantonale amministrativo si è riconfermato nelle motivazioni e nelle conclusioni della propria sentenza. Ad essa ha fatto rinvio anche l'Ufficio federale della migrazione. La Sezione della popolazione propone la reiezione del gravame, mentre il Consiglio di Stato si è rimesso al giudizio di questa Corte. D. Con scritto del 23 dicembre 2011 il ricorrente ha ribadito i propri argomenti nonché trasmesso a questa Corte dei nuovi documenti.