Sachverhalt:
A. Am 5. Dezember 2005 holte A._ in der Sihlpost in Zürich ein an B._ adressiertes Paket aus Brasilien ab. Darin befanden sich mit Kokain getränkte Gegenstände. Danach nahm er X._ von seinem Wohnort in Zürich mit. Sie fuhren an die C._strasse 21 in Luzern, wo Letzterer mit dem Paket ausstieg. Dieser extrahierte sodann die Betäubungsmittel (rund 1 kg reines Kokain) und brachte sie auf unbestimmte Weise in Verkehr.
Im Dezember 2005 nannte A._ X._ die Adressen von D._ und E._ für den Empfang weiterer Kokainpakete aus Brasilien. X._ veranlasste zusammen mit F._ die entsprechenden Sendungen. Die Pakete konnten am Flughafen Zürich sichergestellt werden. Sie enthielten 15 bzw. 16 Körbchen, die aus Kokain getränktem Zeitungspapier geflochten waren. Die Polizei konnte daraus 1'075 Gramm bzw. 1'090 Gramm reines Kokain extrahieren.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich erklärte X._ am 4. Juni 2012 zweitinstanzlich der mehrfachen qualifizierten Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz (Pakete B._, D._ und E._) schuldig. Es stellte die Rechtskraft des Urteils des Bezirksgerichts Meilen vom 21. November 2011 fest (Freispruch von den übrigen Vorwürfen gemäss Anklageschrift vom 23. Mai 2011 und Einziehung bzw. Vernichtung der beschlagnahmten Betäubungsmittel) und sprach ihn zudem vom Vorwurf betreffend das Betäubungsmittelpaket an G._ frei. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von vier Jahren, unter Anrechnung der Untersuchungs- und Sicherheitshaft von 725 Tagen. Ferner zog es das beschlagnahmte Bargeld ein.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich sei aufzuheben, und er sei von Schuld und Strafe freizusprechen. Es seien ihm eine angemessene Prozessentschädigung und eine Genugtuung nach richterlichem Ermessen, jedoch mindestens Fr. 41'250.--, auszurichten. Das beschlagnahmte Bargeld sei ihm herauszugeben. Eventualiter sei er lediglich der mehrfachen Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz schuldig zu sprechen und mit einer unbedingt vollziehbaren Freiheitsstrafe von 24 Monaten zu bestrafen. Er ersucht zudem um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer verweist mehrfach auf seine Plädoyernotizen für die vorinstanzliche Berufungsverhandlung (Beschwerde S. 7 N. 17, S. 9 N. 27, S. 12 N. 39, S. 14 N. 49 und N. 51 sowie S. 15 N. 54 f.). Damit ist er nicht zu hören. Die Begründung der Beschwerde muss in der Beschwerdeschrift selbst enthalten sein. Der blosse Verweis auf die Ausführungen in anderen Rechtsschriften oder auf die Akten reicht nicht aus (BGE 138 IV 47 E. 2.8.1; 133 II 396 E. 3.1 S. 399 f.; je mit Hinweisen).
Die Anträge betreffend die Herausgabe des beschlagnahmten Bargelds, die Auferlegung der Verfahrenskosten sowie die Ausrichtung von Entschädigung und Genugtuung begründet der Beschwerdeführer ebenfalls nicht hinreichend. Darauf ist nicht einzutreten.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz die Verletzung der Unschuldsvermutung (Art. 32 Abs. 1 BV, Art. 6 Ziff. 2 EMRK und Art. 10 Abs. 1 StPO) und eine willkürliche Beweiswürdigung vor (Beschwerde S. 4-12 N. 7-38 und S. 15 N. 55).
2.2 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG; siehe Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (BGE 137 III 226 E. 4.2 S. 234 mit Hinweisen; zum Begriff der Willkür BGE 138 I 49 E. 7.1 mit Hinweisen).
Ebenfalls unter dem Gesichtspunkt der Willkür prüft das Bundesgericht, inwiefern das Sachgericht den Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel verletzt hat. Diese aus der Unschuldsvermutung (Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 2 EMRK) abgeleitete Maxime wurde wiederholt dargelegt, worauf zu verweisen ist (BGE 127 I 38 E. 2a S. 41 mit Hinweisen).
Die Rüge der Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und substanziiert begründet werden, andernfalls darauf nicht eingetreten wird (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 S. 5; 136 I 65 E. 1.3.1; je mit Hinweisen).
2.3 Soweit der Beschwerdeführer der vorinstanzlichen Beweiswürdigung lediglich seine Sicht der Dinge gegenüberstellt, ohne darzulegen, inwiefern der Entscheid auch im Ergebnis schlechterdings unhaltbar sein sollte, erschöpfen sich seine Ausführungen in einer appellatorischen Kritik am angefochtenen Entscheid. Darauf ist nicht einzutreten. Dies ist z.B. der Fall, wenn er vorbringt, die zweifelhafte Beweiskraft der Beweismittel ergebe sich bereits aus dem erstinstanzlichen Teilfreispruch (Beschwerde S. 6 N. 13), oder indem er einwendet, dieser Freispruch verdeutliche, dass die Umstände der Betäubungsmittelgeschäfte derart unklar seien, dass die ihm vorgeworfenen Taten nicht rechtsgenügend nachweisbar seien (Beschwerde S. 6 N. 14).
2.4 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz stütze den Schuldspruch ausschliesslich auf die Aussagen von A._. Selbst wenn man beim Paket an B._ davon ausgehe, hinsichtlich der Geschehnisse in Zürich seien dessen Angaben durch weitere Beweise und Indizien belegt, gelte dies nicht in Bezug auf die Fahrt nach Luzern oder auf den Vorwurf, er sei in Luzern mit dem Paket ausgestiegen. Sodann könnten die Telefonate oder der Umstand, dass ein reger telefonischer Kontakt geherrscht habe, die von A._ behaupteten Geschehensabläufe, ohne Kenntnis der jeweiligen Gesprächsinhalte, nicht rechtsgenügend stützen (Beschwerde S. 7-10 N. 15-27).
Die Rügen sind unbegründet. Die Vorinstanz stützt ihren Schuldspruch nicht nur auf die Aussagen von A._. Sie erwägt einleitend, diese seien in einigen Punkten zu wenig verlässlich und in gewissen Details zu widersprüchlich, um den angeklagten Sachverhalt alleine gestützt darauf erstellen zu können. Daher sei nur soweit auf die belastenden Aussagen von A._ abzustellen, als diese durch weitere Beweise oder überzeugende Indizien untermauert würden (Urteil S. 7 E. 2.2 am Ende). Die Vorinstanz stellt fest, A._ habe den Beschwerdeführer in der Wohnung von H._ in Zürich abgeholt. Anschliessend seien sie zusammen an die C._strasse 21 nach Luzern gefahren, wo der Beschwerdeführer mit dem Paket ausgestiegen sei. Sie würdigt die weiteren Beweise sowie Indizien und verweist auf die Ausführungen der ersten Instanz. Sie erwägt, gemäss der Aussage von H._ habe der Beschwerdeführer in der fraglichen Zeit bei ihr gewohnt und mit A._ Kontakt gehabt. Ein anderer Zeuge bestätige, dass der Beschwerdeführer an der C._strasse 21 in Luzern einen Lagerraum gemietet habe. Überdies stimmten die festgestellten Telefonverbindungen resp. die jeweiligen Antennenstandorte der beteiligten Personen augenfällig mit den Schilderungen von A._ überein. Diese seien daher glaubhaft (Urteil S. 13 f. E. 4.3). Hinsichtlich der Vorwürfe betreffend die Pakete an D._ und E._ verfährt die Vorinstanz gleich (Urteil S. 16 f. E. 5). Ihre Beweiswürdigung ist nicht zu beanstanden, insbesondere auch die Schlussfolgerung nicht, das dem Beschwerdeführer angelastete Verhalten sei auch bezüglich der Geschehnisse in Luzern erstellt. Gemäss Vorinstanz bestätigen die Antennenstandorte, dass sich A._ am fraglichen Mittag nach Luzern begab. Der Beschwerdeführer war der Mieter eines Lagerraums an der C._strasse 21 in Luzern und A._ zeigte der Polizei diese Adresse anlässlich einer Suchfahrt (Urteil S. 14). Weiter ist dem Beschwerdeführer zwar beizupflichten, dass ein reger telefonischer Kontakt alleine nicht genügt, um den angeklagten Sachverhalt zu erstellen. Weil die aufgezeichneten Telefonverbindungen bzw. die jeweiligen Antennenstandorte der beteiligten Personen offensichtlich mit den Angaben von A._ übereinstimmen, durfte die Vorinstanz aber, auch ohne Kenntnis der jeweiligen Gesprächsinhalte, willkürfrei zum Schluss gelangen, seine diesbezüglichen Aussagen seien glaubhaft.
2.5 Die Vorinstanz erwägt, zahlreiche Indizien sprächen dafür, dass es der Beschwerdeführer gewesen sei, der nach der Entgegennahme der Pakete das Kokain extrahiert und danach weitergegeben habe. Sie gelangt nach Würdigung der massgeblichen Aussagen zum Schluss, der Beschwerdeführer habe die Drogenpakete entgegengenommen bzw. hätte diese entgegen nehmen sollen. Seine Mittäter hätten auch Dritten gegenüber die Vermutung geäussert, der Beschwerdeführer sei der "Chemiker". Überall, wo dieser gewohnt habe, habe er auffallend oft und gründlich geputzt, offenkundig um keine Spuren zu hinterlassen. Seine Hände seien wund gewesen und aus seinem Zimmer sei ein stinkender, stark ätzender Geruch gekommen. Dies lasse nur den Schluss zu, dass es der Beschwerdeführer gewesen sei, der das Kokain aus dem Inhalt der Pakete extrahierte resp. hätte extrahieren sollen (Urteil S. 17 f. E. 6).
Mit diesen tatsächlichen Feststellungen und der schlüssigen Beweiswürdigung der Vorinstanz setzt sich der Beschwerdeführer nicht substanziiert auseinander (Beschwerde S. 7 N. 17, S. 8 N. 20, S. 8 f. N. 22 ff., S. 10 N. 28 und S. 10-12 N. 30-38). Indem er beispielsweise erwähnt, es sei unwahrscheinlich, dass die wunden Hände von einer Extraktionstätigkeit herrührten, oder vorbringt, es seien keine Utensilien oder Hilfsmittel zum Vorschein gekommen, vermag er keine Willkür darzutun.
2.6 Soweit der Beschwerdeführer geltend macht, die Vorinstanz laste ihm eine zu grosse Menge an reinem Kokain an (Beschwerde S. 12-14 N. 41-48), sind seine Vorbringen ebenfalls nicht geeignet, Willkür aufzuzeigen. Er setzt sich nicht mit den diesbezüglichen Ausführungen der Vorinstanz auseinander. Diese erwägt, es sei anzunehmen, dass sich im Paket an B._ ebenfalls mit Kokain getränkte Gegenstände befunden hätten. Das Vorgehen sei gleich wie bei den sichergestellten Paketen gewesen. Die gleichen Täter hätten sich für angebliche Geschenkpakete aus Brasilien Schweizer Adressen beschafft. A._ habe die Sendungen entgegen nehmen und dem Beschwerdeführer übergeben müssen. Die sichergestellten Pakete hätten in Kokain getränkte Körbchen enthalten. In beiden Paketen sei etwa die gleiche Menge Kokain gewesen. Im Lichte dieser Umstände bestünden keine vernünftigen Zweifel, dass sich auch im Paket an B._ in etwa die gleiche Menge an Kokain befunden habe. Mithin sei ebenfalls von rund einem Kilogramm reinem Kokain auszugehen. Der Einwand des Beschwerdeführers, Laien hätten nicht die gleiche Menge Kokain extrahieren können wie dies im Polizeilabor möglich sei, gehe fehl. Massgebend sei, dass diese Menge an Kokain in den Paketen enthalten gewesen sei (Urteil S. 14 f.)
2.7 Insgesamt zeigt der Beschwerdeführer nicht auf, dass und inwiefern das Beweisergebnis der Vorinstanz schlechterdings nicht mehr vertretbar und damit willkürlich ist.
3. 3.1 Die Beschwerde richtet sich schliesslich gegen die Strafzumessung. Der Beschwerdeführer macht geltend, die Art und Weise der Tatbegehung sei nicht verschuldenserhöhend zu bewerten. Die von der Vorinstanz ausgesprochene Freiheitsstrafe von vier Jahren erweise sich auch im Hinblick auf die tieferen Strafen der Mitbeschuldigten als zu hoch. Angemessen sei eine Freiheitsstrafe von zwei Jahren (Beschwerde S. 14 f.).
Soweit der Beschwerdeführer einwendet, die Vorinstanz qualifiziere sein Verschulden zu Unrecht als erheblich, weil die ihm angelastete Menge an reinem Kokain nicht erstellt sei und ausführt, ihm könne insofern kein Eventualvorsatz nachgewiesen werden, sind seine Vorbringen nicht zu hören (E. 2.6).
3.2 Das Bundesgericht hat die Grundsätze der Strafzumessung wiederholt dargelegt (BGE 136 IV 55 E. 5.4 ff. mit Hinweisen).
3.3 Die Vorinstanz verweist bei der Bemessung der Strafe teilweise auf die Erwägungen der ersten Instanz. Sie setzt sich mit den wesentlichen schuldrelevanten Komponenten auseinander und würdigt sämtliche Zumessungsfaktoren zutreffend. Dass sie sich von unmassgeblichen Gesichtspunkten hätte leiten lassen oder wesentliche Aspekte nicht berücksichtigt hätte, ist nicht ersichtlich. Auf ihre Ausführungen kann verwiesen werden (Urteil S. 19 ff.; erstinstanzliches Urteil S. 48 ff.).
Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers ist es vertretbar, dass die Vorinstanz die Art und Weise der Tatbegehung verschuldenserhöhend berücksichtigt. Sie weist zu Recht darauf hin, dass die Betäubungsmittelgeschäfte, an denen der Beschwerdeführer mitwirkte, sorgfältig und raffiniert geplant sowie ausgeführt waren. Zudem waren Personen in Drogengeschäfte einbezogen, die keine Kenntnis davon hatten, dass sie sich als Adressaten von Betäubungsmittelpaketen zur Verfügung stellten. Insgesamt zeigte das Vorgehen des Beschwerdeführers eine beträchtliche kriminelle Energie (Urteil S. 20 E. 3.1.2).
Die Vorinstanz vergleicht die Strafe des Beschwerdeführers mit derjenigen seiner Mittäter. Sie erwägt, da die jeweiligen Tatbeiträge nicht identisch gewesen seien, resultiere bereits ein anderes objektives Verschulden. Zudem lägen auch unterschiedliche Täterkomponenten vor, insbesondere seien die Mittäter teilweise geständig gewesen (Urteil S. 24 E. 3.6.4). Mithin erweist sich die Strafe des Beschwerdeführers auch im Vergleich zu den Mittätern nicht als zu hoch.
Die von der Vorinstanz ausgefällte Freiheitsstrafe von vier Jahren hält sich bei einer Gesamtbetrachtung innerhalb des sachrichterlichen Ermessens und ist nicht zu beanstanden.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist wegen Aussichtslosigkeit abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 BGG). Der Beschwerdeführer hat die bundesgerichtlichen Kosten zu tragen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Seine angespannte finanzielle Situation ist bei der Bemessung der Gerichtskosten angemessen zu berücksichtigen.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 17. Januar 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Pasquini