Sachverhalt:
A. X._ wird vorgeworfen, am 6. Dezember 2006 mit einem ca. 30 cm langen Küchenmesser auf Y._, von dem er 5 Gramm Kokain für Fr. 350.-- kaufen wollte, eingestochen zu haben. Y._ erlitt eine Verletzung hinter der Achsel etwa auf der Höhe der Brustwarze (Stichkanal rund 10 cm), eine ca. 2 bis 3 cm tiefe Wunde im Bereich Brust/Oberbauch sowie einen oberflächlichen Schnitt am Oberarm. Die Verletzungen waren nicht lebensgefährlich. X._ entriss Y._, bevor er auf ihn einstach, den zuvor ausgehändigten Betrag von Fr. 400.-- und setzte sich nach der tätlichen Auseinandersetzung mit dem Kokain ab. Zudem wird ihm zur Last gelegt, am 4. Juli 2006 einen Einbruchdiebstahl verübt zu haben.
B. Das Geschworenengericht des Kantons Zürich sprach X._ am 3. April 2008 schuldig der versuchten vorsätzlichen schweren Körperverletzung, des mehrfachen Diebstahls sowie der Sachbeschädigung. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 3 1⁄2 Jahren als Zusatzstrafe zum Strafbefehl der Staatsanwaltschaft Winterthur/Unterland aus dem Jahre 2007 und unter Anrechnung der ausgestandenen Polizei-, Untersuchungs- und Sicherheitshaft von 480 Tagen. Zudem hielt es fest, dass X._ gegenüber Y._ dem Grundsatze nach schadenersatzpflichtig ist. Im Übrigen verwies es Letzteren auf den Zivilweg.
Die von X._ erhobene Nichtigkeitsbeschwerde wies das Kassationsgericht des Kantons Zürich am 21. Oktober 2010 ab.
C. Das Bundesgericht beurteilte den Schuldspruch wegen Diebstahls vom 6. Dezember 2006 als bundesrechtswidrig. Es hiess die Beschwerde am 7. Juli 2011 im Verfahren 6B_994/2010 teilweise gut, hob das Urteil des Geschworenengerichts auf und wies die Sache im Sinne der Erwägungen zur neuen Entscheidung an das Geschworenengericht zurück. Im Übrigen wies es die Beschwerde ab, soweit es darauf eintrat.
D. Das Geschworenengericht des Kantons Zürich überwies den Fall gemäss Art. 453 Abs. 2 StPO an das Bezirksgericht Winterthur. Dieses verurteilte X._ am 12. Juli 2012 wegen versuchter schwerer Körperverletzung, Diebstahl und Sachbeschädigung zu einer Freiheitsstrafe von 3 1⁄4 Jahren als Zusatzstrafe zum Strafbefehl der Staatsanwaltschaft Winterthur/Unterland aus dem Jahre 2007 und unter Anrechnung der ausgestandenen Polizei-, Untersuchungs- und Sicherheitshaft von 480 Tagen. Vom Vorwurf des Diebstahls vom 6. Dezember 2006 sprach es ihn frei.
Auf Berufung von X._ bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich am 19. November 2012 den Schuldspruch und die ausgefällte Freiheitsstrafe.
E. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und die Sache sei zur neuen Beurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt eine unrichtige Strafzumessung. Das Gericht habe unter anderem die Wirkung der Strafe auf das Leben des Täters zu berücksichtigen. Die Vorinstanz habe zu Unrecht die Konsequenzen des Strafmasses auf das ausländerrechtliche Verfahren bzw. sein Aufenthaltsrecht nicht in Rechnung gestellt. Eine Privilegierung gegenüber Schweizer Straftätern sei nicht gegeben, da diese ohnehin keine aufenthaltsrechtlichen Folgen zu befürchten hätten (Beschwerde, S. 6 f.).
1.2 Die Vorinstanz erwägt, ausländerrechtliche Folgen der Strafe könnten keinen Einfluss auf die Strafhöhe haben. Das Gericht habe eine tat- und täterangemessene Strafe festzusetzen. Zu bewerten sei insbesondere das Verschulden des Täters. Eine Strafreduktion auf zwei Jahre, um die Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung nicht zu gefährden, würde zu einer unzulässigen Privilegierung ausländischer Täter führen (Urteil, S. 15).
1.3 Gemäss Art. 47 StGB misst der Richter die Strafe nach dem Verschulden des Täters zu. Er beurteilt die Beweggründe, das Vorleben sowie die persönlichen Verhältnisse des Schuldigen. Es liegt im Ermessen des Sachrichters, in welchem Umfang er die verschiedenen Strafzumessungsfaktoren, worunter auch die Strafempfindlichkeit fällt, berücksichtigt. Das Bundesgericht greift nur in die Strafzumessung ein, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat, wenn sie von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist oder wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen beziehungsweise in Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat (BGE 135 IV 130 E. 5.3.1; 134 IV 17 E. 2.1; je mit Hinweisen).
1.4 Die Strafzumessung der Vorinstanz ist nicht zu beanstanden. Sie enthält die wesentlichen Tat- und Täterkomponenten und die nachvollziehbaren Schlüsse. Der Beschwerdeführer macht sinngemäss eine erhöhte Strafempfindlichkeit wegen der drohenden Nichtverlängerung seiner Aufenthaltsbewilligung geltend. Ein Widerrufsgrund dieser Bewilligung liegt vor, wenn eine Freiheitsstrafe von mehr als einem Jahr ausgesprochen wurde (BGE 135 II 377 E. 4.2). Die zuständige Behörde berücksichtigt bei ihrer Verhältnismässigkeitsprüfung namentlich die Schwere des Verschuldens, den Grad der Integration, die Dauer der bisherigen Anwesenheit sowie die dem Betroffenen und seiner Familie drohenden Nachteile (a.a.O. E. 4.3). Die ausländerrechtlichen Folgen, welche dem Beschwerdeführer allenfalls treffen könnten, drohen jeder ausländischen Person, die zu einer Freiheitsstrafe von mehr als einem Jahr verurteilt wird. Sie führen nicht ohne weiteres zu einer Strafminderung (Urteile 6B_829/2010 vom 28. Februar 2011 E. 5.4; 6B_892/2010 vom 22. Dezember 2010 E. 3.3 mit Hinweisen). Der Beschwerdeführer legt nicht dar, dass er wegen einer besonderen Strafempfindlichkeit ungleich schwerer getroffen wird als andere ausländische Personen, weshalb sich eine Strafreduktion nicht begründen lässt.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung des Beschleunigungsgebots. Das Bundesgericht habe in seinem Rückweisungsentscheid festgehalten, bis zur Zustellung des begründeten Urteils des Geschworenengerichts am 9. September 2009 liege keine Verfahrensverzögerung vor. Ab diesem Datum bis zum neuen Entscheid der Vorinstanz am 19. November 2012 seien jedoch mehr als drei Jahre vergangen. Dies sei strafmindernd zu berücksichtigen (Beschwerde, S. 7).
2.2 Das in Art. 29 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK festgeschriebene Beschleunigungsgebot verpflichtet die Behörden, das Strafverfahren voranzutreiben, um den Beschuldigten nicht unnötig über die gegen ihn erhobenen Vorwürfe im Ungewissen zu lassen (BGE 133 IV 158 E. 8; 130 IV 54 E. 3.3.1; 124 I 139 E. 2a; je mit Hinweisen). Entscheidend für die Beurteilung der Angemessenheit der Verfahrensdauer ist eine Gesamtbetrachtung des konkreten Einzelfalls (BGE 130 IV 54 E. 3.3.3; 124 I 139 E. 2c). Von den Behörden und Gerichten kann nicht verlangt werden, dass sie sich ständig einem einzigen Fall widmen. Zeiten, in denen das Verfahren stillsteht, sind unumgänglich. Wirkt keiner dieser Zeitabschnitte stossend, ist eine Gesamtbetrachtung vorzunehmen (BGE 130 IV 54 E. 3.3.3; 124 I 139 E. 2c).
2.3 Die Vorinstanz hält zutreffend fest, es seien seit dem Rückweisungsentscheid des Bundesgerichts keine stossenden Zeitspannen zu verzeichnen gewesen, in denen keine Verfahrenshandlungen stattgefunden hätten (Urteil, S. 13 f.). Eine gewisse Verfahrensverlängerung ist auf die Abschaffung des Geschworenengerichts und die Zuweisung des Falles an das Bezirksgericht Winterthur zurückzuführen. Zudem reichte der Beschwerdeführer selber drei Fristerstreckungsgesuche beim Bezirksgericht Winterthur ein, die zu mehrmonatigen Verzögerungen führten. Insgesamt liegt nach dem bundesgerichtlichen Rückweisungsentscheid keine überlange Verfahrensdauer vor, weshalb sich - wie die Vorinstanz zu Recht erwägt - eine Strafminderung nicht rechtfertigt.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Bei diesem Verfahrensausgang sind die bundesgerichtlichen Kosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Sein Gesuch um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos erschien. Seiner finanziellen Lage ist mit herabgesetzten Gerichtskosten Rechnung zu tragen (Art. 65 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 12. März 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Keller