Sachverhalt:
A. Der türkische Staatsangehörige X._ (geb. 1978) reiste Mitte 2001 in die Schweiz ein und stellte hier erfolglos ein Asylgesuch. Am 20. November 2006 heiratete X._ die Schweizerin Y._ (geb. 1981) und erhielt in der Folge eine letztmals bis 19. November 2010 verlängerte Aufenthaltsbewilligung. Das eheliche Zusammenleben wurde per 1. März 2007 aufgenommen. Am 12. April 2010 meldete die Grossmutter von Y._ dem Personenmeldeamt der Stadt Zürich, dass ihre Enkelin seit dem 15. Januar 2008 bei ihr wohne. X._ gab in den Verlängerungsgesuchen vom 21. Oktober 2008 und 26. Oktober 2009 an, dass er mit seiner Ehefrau zusammenwohne.
Mit Strafbefehl vom 5. Juli 2011 wurde X._ wegen Strassenverkehrsdelikten zu einer bedingten Geldstrafe von 35 Tagessätzen zu je Fr. 90.-- und einer Busse von Fr. 1'250.-- verurteilt.
B. Auf Nachfrage des Migrationsamtes des Kantons Zürich vom 29. April 2010 haben X._ und seine Ehefrau im Mai 2010 schriftlich bestätigt, dass sich die Eheleute bereits Ende Januar 2008 getrennt hatten. Am 12. November 2010 hat das Migrationsamt X._ aufgrund der Auflösung der ehelichen Gemeinschaft per Ende Januar 2008 die Nichtverlängerung der Aufenthaltsbewilligung und die Wegweisung in Aussicht gestellt. Der anwaltlich vertretene X._ liess sich dazu nicht vernehmen. In der Folge hat das Migrationsamt des Kantons Zürich die Aufenthaltsbewilligung mit Verfügung vom 18. März 2011 nicht verlängert und X._ weggewiesen. In der Rekursschrift vom 21. April 2011 hat X._ unter Hinweis auf die genannten Bestätigungen die Aufgabe des gemeinsamen Haushalts der Eheleute per Ende Januar 2008 eingeräumt. Es gebe jedoch wichtige Gründe für getrennte Wohnorte, namentlich sei ein "living apart together" als wichtiger Grund anzuerkennen. Am 28. März 2012 wies die Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich den Rekurs ab. Die anschliessende Beschwerde an das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich blieb erfolglos.
C. Vor Bundesgericht beantragt X._ sinngemäss, das Urteil des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 26. Juni 2012 aufzuheben und das Gesuch um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung gutzuheissen, eventualiter die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen. Am 2. Oktober 2012 hat X._ ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege für das bundesgerichtliche Verfahren eingereicht.
Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich hat auf eine Vernehmlassung verzichtet. Die Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich und das Bundesamt für Migration beantragen die Abweisung der Beschwerde.
D. Am 10. September 2012 hat der Abteilungspräsident der Beschwerde aufschiebende Wirkung erteilt.
Erwägungen:
1. Als Ehemann einer Schweizer Bürgerin hat der Beschwerdeführer grundsätzlich einen Anspruch auf die von ihm beantragte Aufenthaltsbewilligung (Art. 42 Abs. 1 AuG [SR 142.20]; Urteil 2C_162/2012 vom 12. Oktober 2012 E. 1). Die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten gegen den kantonal letztinstanzlichen Endentscheid ist daher zulässig (Art. 82 lit. a, Art. 83 lit. c Ziff. 2 e contrario, Art. 86 Abs. 1 lit. d und Art. 90 BGG). Da auch die übrigen Sachurteilsvoraussetzungen vorliegen, ist auf die Beschwerde einzutreten.
2. 2.1 Mit der Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten kann eine Rechtsverletzung nach Art. 95 und 96 BGG gerügt werden. Das Bundesgericht wendet das Recht von Amtes wegen an (Art. 106 Abs. 1 BGG), doch prüft es, unter Berücksichtigung der allgemeinen Rüge- und Begründungspflicht (Art. 42 Abs. 1 und 2 BGG), grundsätzlich nur die geltend gemachten Vorbringen, sofern allfällige weitere rechtliche Mängel nicht geradezu offensichtlich sind (BGE 138 I 274 E. 1.6 S. 280 f. mit Hinweis). Die Verletzung von Grundrechten, darin eingeschlossen solcher, die sich aus Völkerrecht ergeben, beurteilt das Bundesgericht nur insofern, als eine solche Rüge in der Beschwerde vorgebracht und begründet worden ist (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 133 II 249 E. 1.4.1 S. 254; Urteile 2C_923/2012 vom 26. Januar 2013 E. 5; 2C_244/2011 vom 3. Februar 2012 E. 2.2; 2C_221/2009 vom 21. Januar 2010 E. 1.3).
2.2 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Es kann die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung bloss berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht (Art. 105 Abs. 2 BGG). Die betroffene Person muss rechtsgenügend dartun, dass und inwiefern der festgestellte Sachverhalt in diesem Sinne mangelhaft erscheint und die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 i.V.m. Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; vgl. BGE 133 II 249 E. 1.4.3 S. 254 f.; 133 III 350 E. 1.3 S. 351 f.). Rein appellatorische Kritik an der Sachverhaltsermittlung und an der Beweiswürdigung genügt den Begründungs- bzw. Rügeanforderungen nicht (BGE 136 II 101 E. 3 S. 104 f.). Das Vorbringen von neuen Tatsachen oder Beweismitteln ist nur insofern möglich, als erst der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt (Art. 99 Abs. 1 BGG; vgl. BGE 135 I 143 E. 1.4 S. 146).
3. Der Beschwerdeführer bringt vor, dass die Vorinstanz den Sachverhalt unter Verletzung seiner Verfahrens(grund-)rechte falsch erstellt habe. Die Eheleute hätten sich nicht bereits im Januar 2008, sondern erst Ende April 2010 getrennt. Die Vorinstanz habe Art. 6 Ziff. 1 EMRK wie auch Art. 29 Abs. 1 und 2 BV und Art. 9 BV verletzt, da sie - wie bereits die Rekursinstanz - in unzulässiger antizipierter Beweiswürdigung auf eine mündliche Anhörung der Eheleute verzichtet habe. Rechtserhebliche Fragen seien damit ungeklärt geblieben, namentlich hätte die mündliche Anhörung der Eheleute nachweisen sollen, dass sich die Eheleute nicht am 31. Januar 2008, sondern erst im Mai 2010 getrennt haben. Auch habe die Rekursinstanz den Verzicht auf die Anhörung nicht begründet, was von der Vorinstanz zu Unrecht unter Verweis auf die antizipierte Beweiswürdigung gerechtfertigt worden sei. Zudem hätte der Beschwerdeführer in der mündlichen Anhörung darlegen können, dass ihm in der Türkei eine menschenrechtswidrige Behandlung drohe. Ungeachtet dessen berufe sich die Vorinstanz auf eine Verletzung der Mitwirkungspflicht des Beschwerdeführers, was unfair, willkürlich und ein Verstoss gegen Treu und Glauben sei. Eine Heilung im bundesgerichtlichen Verfahren sei nicht möglich.
4. 4.1 Art. 6 Ziff. 1 EMRK ist auf ausländerrechtliche Verfahren nicht anwendbar (Urteile des EGMR Maaouia gegen Frankreich vom 5. Oktober 2000 [39652/98], §§ 33 ff.; Emre gegen die Schweiz (Nr. 2) vom 11. Oktober 2011 [5056/10], § 79; BGE 137 I 128 E. 4.4.2 S. 133 f. mit Hinweis; ZÜND/HUGI YAR, Aufenthaltsbeendende Massnahmen im schweizerischen Ausländerrecht, EuGRZ 2013 S. 1 ff., Rz. 13). Aus Art. 29 Abs. 2 BV folgt kein Anspruch auf eine mündliche Anhörung (BGE 134 I 140 E. 5.3 S. 148; 130 II 425 E. 2.1 S. 428 f.; Urteile 2C_574/2012 vom 19. Februar 2013 E. 3.1.1; 2C_923/2012 vom 26. Januar 2013 E. 2.1); auf einen Anspruch des kantonalen Verfahrensrechts beruft sich der Beschwerdeführer nicht.
4.2 Nach der Rechtsprechung kann der Richter das Beweisverfahren ohne Verletzung von Art. 29 Abs. 2 BV schliessen, wenn die Beweisanträge eine nicht erhebliche Tatsache betreffen oder offensichtlich untauglich sind oder wenn er aufgrund bereits abgenommener Beweise seine Überzeugung gebildet hat und ohne Willkür in vorweggenommener Beweiswürdigung annehmen kann, dass seine Überzeugung durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert würde (BGE 136 I 229 E. 5.3 S. 236 f.; 134 I 140 E. 5.3 S. 148; 131 I 153 E. 3 S. 157; 130 II 425 E. 2.1 S. 428 f.; 124 I 208 E. 4a S. 211; Urteil 2C_733/2012 vom 24. Januar 2013 E. 3.2.3).
5. Um zu beurteilen, ob die Vorinstanz die Verfahrens(grund-)rechte des Beschwerdeführers verletzt hat, ist zunächst zu prüfen, was der Beschwerdeführer im vorinstanzlichen Verfahren vorgebracht hat. Rechtsschriften sind dabei nach dem Vertrauensprinzip auszulegen, also so, wie die zur Diskussion Anlass gebenden Vorbringen nach Treu und Glauben verstanden werden mussten (Art. 5 Abs. 3 BV; Urteile 9C_324/2011 vom 8. August 2011 E. 2.3.1; 4C.180/2002 vom 26. August 2002 E. 1.2; vgl. zu Art. 52 ZPO CHRISTOPH HURNI, in: Berner Kommentar, 2012, N. 18 ff. zu Art. 52 ZPO).
5.1 In der Beschwerdeschrift behauptete der Beschwerdeführer - nach einem Anwaltswechsel neu vertreten durch Rechtsanwalt Hans Ludwig Müller -, die Ehefrau sei am 15. Januar 2008 nicht "Knall auf Fall" aus der ehelichen Wohnung ausgezogen. Vielmehr habe sich die Ehefrau allmählich häufiger bei der Grossmutter, aber "zwischenhinein einige Male" wieder beim Beschwerdeführer aufgehalten. "So richtig weg" sei die Ehefrau vor dem Mai 2010 nie gewesen. Der grösste Teil ihrer Habe, darunter ihre persönlichen Effekte, hätten sich bis Mai 2010 in der ehelichen Wohnung befunden. Aus "unerfindlichen Gründen" habe die Ehefrau das Trennungsdatum auf den Januar 2008 gelegt, "weshalb" der Beschwerdeführer den von seiner Ehefrau verfassten Brief unterzeichnet habe. Zum Nachweis dieser Behauptungen beantragte der Beschwerdeführer die Befragung der Ehefrau.
Gleichzeitig führte der Beschwerdeführer aus, der Ehewille könne "trotz getrennter Wohnorte" weiter bestehen, und erwähnte mehrmals die Feststellung der Rekursinstanz, wonach die Eheleute nicht drei Jahre in einem gemeinsamen Haushalt gewohnt haben, ohne dies zu bestreiten. Im Gegenteil: Der Beschwerdeführer brachte vor, dass die eheliche Gemeinschaft auch "in der Zeit der getrennten Wohnsitze" fortgeführt worden sei, bezog sich auf die Rekursschrift und rief Art. 49 AuG an.
5.2 Unter Berücksichtigung der Prozessgeschichte (vgl. Sachverhalt lit. B) durfte die Vorinstanz die Ausführungen des Beschwerdeführers nach Treu und Glauben so auslegen, dass er zwar die Auflösung der ehelichen Gemeinschaft ("Getrenntleben"), nicht jedoch die Auflösung der Haushaltsgemeinschaft (getrennte Wohnorte) per Ende Januar 2008 bestritt. Diese Unterscheidung ist gerade mit Blick auf Art. 49 AuG von Bedeutung, den der Beschwerdeführer in seinen Rechtsschriften anruft. Vor dem Migrationsamt wie auch vor der Rekursinstanz räumte der Beschwerdeführer ausdrücklich ein, dass der eheliche Haushalt per Ende Januar 2008 aufgelöst worden sei. Es wäre Sache des anwaltlich vertretenen Beschwerdeführers gewesen, Behauptungen, die seinen bisherigen Äusserungen im Verfahren offensichtlich widersprechen, zumindest klar und deutlich zu formulieren - ungeachtet der vorliegend nicht abschliessend zu beantwortenden Frage, ob ein solch widersprüchliches Prozessverhalten nicht gegen Treu und Glauben verstösst und daher nicht schutzwürdig ist (Art. 5 Abs. 3 BV; BGE 137 V 394 E. 7.1 S. 403; Urteil 2A.52/2003 vom 23. Januar 2004 E. 5.2; KIENER/RÜTSCHE/KUHN, Öffentliches Verfahrensrecht, 2012, N. 675, 1518 f.; MOOR/FLÜCKIGER/MARTENET, Droit administratif, Bd. 1, 3. Aufl. 2012, S. 932).
5.3 Daraus folgt, dass die Vorinstanz zu Recht davon ausgehen konnte, dass der Beschwerdeführer (weiterhin) nicht bestritt, dass der eheliche Haushalt per Ende Januar 2008 aufgelöst worden war. Wenn der Beschwerdeführer erstmals vor Bundesgericht ausdrücklich vorbringt, dass auch der eheliche Haushalt erst im Mai 2010 aufgelöst worden sei, ist er damit nicht zu hören (Art. 99 BGG).
6. Bei dieser prozessualen Ausgangslage zielen die vom Beschwerdeführer erhobenen Rügen ins Leere:
6.1 6.1.1 Vom Erfordernis des Zusammenwohnens wird nach Art. 49 AuG abgesehen, wenn für getrennte Wohnorte wichtige Gründe geltend gemacht werden, die Familiengemeinschaft indes weiter besteht (Urteile 2C_1027/2012 vom 20. Dezember 2012 E. 3.3; 2C_723/2010 vom 14. Februar 2011 E. 4.1; 2C_647/2010 vom 10. Februar 2011 E. 3.1; 2C_544/2010 vom 23. Dezember 2010 E. 2.3). Die Vorinstanzen haben zutreffend darauf hingewiesen, dass ein freiwilliger Entscheid für ein "living apart together" für sich allein genommen keinen wichtigen Grund im Sinne von Art. 49 AuG darstellt (vgl. Urteil 2C_40/2012 vom 15. Oktober 2012 E. 4 mit Hinweisen).
6.1.2 Neben den bereits erwähnten Umständen (vgl. E. 5.1) beruft sich der Beschwerdeführer namentlich darauf, dass die von 2008 bis 2010 dauernde "Ehekrise" mittlerweile überwunden sei, die Eheleute sich zwei- bis dreimal pro Woche treffen und ebenso häufig telefonieren würden sowie über all die Jahre hinweg eine intime Beziehung gepflegt hätten. Auch unterstützte der Beschwerdeführer seine Ehefrau immer wieder mit ca. Fr. 200.--. Diese Vorbringen hat die Vorinstanz in ihrem Urteil erwähnt, jedoch abweichend vom Beschwerdeführer gewürdigt und daher auf weitere Beweiserhebungen verzichtet. Entscheidend war dabei, dass die Vorbringen des Beschwerdeführers einen Bewilligungsanspruch nach Art. 42 i.V.m. Art. 49 AuG bzw. Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG oder Art. 8 EMRK nicht zu begründen vermochten. Zudem hatte sich die Ehefrau im Verlaufe des Verfahrens bereits mehrfach schriftlich zur Ehesituation geäussert, sodass es nach Auffassung der Vorinstanz unklar war, was eine Befragung Neues ergeben soll.
6.1.3 Das Vorgehen der Vorinstanzen ist nicht zu beanstanden: Lagen nach ihrer materiellen Würdigung - die vom Beschwerdeführer nicht rechtsgenüglich bestritten wird (vgl. E. 7) - keine wichtigen Gründe im Sinne von Art. 49 AuG vor, so fiel der Anspruch nach Art. 42 AuG dahin. Entsprechendes gilt für Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG (vgl. BGE 138 II 229 E. 2 S. 231 f.; 137 II 345 E. 3.1.2 S. 347; 136 II 113 E. 3.1 S. 116 f.; Urteil 2C_976/2012 vom 11. Februar 2013 E. 3.1) wie für Art. 8 EMRK (Urteil 2C_40/2012 vom 15. Oktober 2012 E. 8 mit Hinweisen). Unter diesen Umständen durften die Vorinstanzen willkürfrei von weiteren Beweismassnahmen absehen. Darauf musste die Rekursinstanz nicht ausdrücklich hinweisen, ergeben sich doch aus ihrem Entscheid die wesentlichen Überlegungen, von denen sie sich leiten liess und auf die sie ihren Entscheid stützte (Art. 29 Abs. 2 BV; BGE 133 III 439 E. 3.3 S. 445; 133 I 270 E. 3.1 S. 277).
6.2 Eine Verletzung formeller Garantien liegt auch mit Bezug auf einen allfälligen persönlichen, nachehelichen Härtefall (Art. 50 Abs. 1 lit. b und Abs. 2 AuG) nicht vor. Zu Recht weist die Vorinstanz darauf hin, dass der Beschwerdeführer seine Behauptungen, es drohe ihm in der Türkei als Kurde aus einer politisch aktiven Familie eine menschenrechtswidrige Behandlung, in keinerlei Weise substanziiert. Im Rahmen seiner Mitwirkungspflicht (Art. 90 AuG) war der Beschwerdeführer gehalten, seine Ausführungen zu belegen, wozu er vor mehreren Instanzen (Migrationsamt, Rekursinstanz, Verwaltungsgericht) ausreichend Gelegenheit erhielt. Ein Anspruch auf mündliche Anhörung besteht nach Art. 29 Abs. 2 BV nicht (vgl. E. 4.1).
7. Weitere, materielle Rügen erhebt der Beschwerdeführer nicht in rechtsgenüglicher Weise. Er hält knapp fest, dass eine Lebensgemeinschaft mit getrennten Wohnsitzen, aber hochgehaltener ehelicher Treue ausländerrechtlich schützenswert sei, und verweist im Übrigen auf seine vorinstanzlichen Rechtsschriften. Dies genügt den Rüge- und Begründungsanforderungen nicht (Art. 42 Abs. 1 und 2 BGG; BGE 138 III 252 E. 3.2 S. 258; 134 II 244 E. 2.1-2.3 S. 245 ff.; 133 II 396 E. 3.1 S. 399 f.). Auf die zutreffenden Ausführungen der Vorinstanz, wonach ein freiwilliger Entscheid für ein "living apart together" für sich allein genommen keinen wichtigen Grund im Sinne von Art. 49 AuG darstellt, geht der Beschwerdeführer nicht ein (vgl. E. 6.1). Angesichts der (fehlenden) Rügen des Beschwerdeführers und der Aktenlage besteht kein Anlass, die materielle Würdigung der Vorinstanz in Frage zu stellen (vgl. BGE 138 I 274 E. 1.6 S. 280 f.; 132 II 249 E. 1.4.1 S. 254; 125 V 413 E. 2c S. 417).
8. Aus den vorgenannten Gründen ist die Beschwerde abzuweisen. Dem Verfahrensausgang entsprechend wird der unterliegende Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 BGG). Seinem Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist infolge Aussichtslosigkeit nicht zu entsprechen (Art. 64 BGG). Es sind keine Parteientschädigungen geschuldet (Art. 68 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Verfahrensbeteiligten, dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 4. Kammer, und dem Bundesamt für Migration schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 24. März 2013
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Zünd
Der Gerichtsschreiber: Egli