Erwägungen:
1. X._, geboren am 2. August 1979 in Mazedonien, reiste 1991 im Rahmen des Familiennachzugs in die Schweiz ein und erhielt die Niederlassungsbewilligung. Aus der Beziehung mit der niederlassungsberechtigten A._, Staatsangehörige von Bosnien und Herzegowina, ging die Tochter B._ (geb. XX.XX.XXXX) hervor. A._ hat eine weitere Tochter, C._ (geb. XX. XX.XXXX).
X._ wurde mehrmals straffällig. In den Jahren 1999 bis 2002 erfolgten vier rechtskräftige Verurteilungen, darunter wiederholt wegen Verstosses gegen das Strassenverkehrsgesetz, und zwei ausländerrechtliche Verwarnungen. Am 2. Dezember 2003 wurde X._ zu drei Jahren Freiheitsstrafe unbedingt und einer Busse von Fr. 500.-- wegen Raubes, Vergehens gegen das Waffengesetz und mehrfachen Fahrens ohne Führerausweis verurteilt. Die Direktion für Soziales und Sicherheit des Kantons Zürich drohte X._ am 29. Juni 2005 die Ausweisung an. Mit Urteil vom 18. Oktober 2010 wurde X._ zu einer teilbedingten Freiheitsstrafe von zwölf Monaten wegen mehrfachen Diebstahls und mehrfacher Verletzung des Post- und Fernmeldegeheimnisses verurteilt.
Mit Verfügung vom 16. März 2011 widerrief das Migrationsamt des Kantons Zürich die Niederlassungsbewilligung von X._ und wies ihn aus der Schweiz weg. Die dagegen erhobenen kantonalen Rechtsmittel blieben erfolglos.
Vor Bundesgericht beantragt X._, das Urteil des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 21. März 2012 aufzuheben und ihm den weiteren Aufenthalt in der Schweiz zu gestatten, eventualiter die Streitsache zur weiteren Sachverhaltsabklärung zurückzuweisen. Zudem sei ihm für das bundesgerichtliche Verfahren die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren.
Am 16. Mai 2012 hat der Abteilungspräsident der Beschwerde aufschiebende Wirkung zuerkannt.
2. Die Beschwerde erweist sich als offensichtlich unbegründet; sie kann ohne Weiterungen mit summarischer Begründung im vereinfachten Verfahren nach Art. 109 BGG erledigt werden.
2.1 Die Vorinstanz hat einen Widerrufsgrund bejaht (Art. 63 Abs. 2 i.V.m. Art. 63 Abs. 1 lit. b AuG), da der Beschwerdeführer trotz mehreren ausländerrechtlichen Verwarnungen weiter delinquiert und damit gezeigt hat, dass er weder gewillt noch fähig ist, sich an die hiesige Rechtsordnung zu halten (vgl. BGE 137 II 297 E. 3.3 S. 303 f.; Urteile 2C_739/2011 vom 18. Oktober 2012 E. 3.2; 2C_673/2011 vom 3. August 2012 E. 3.1). Weder ist ersichtlich, noch macht der Beschwerdeführer geltend, dass diese vorinstanzliche Würdigung rechtsfehlerhaft ist.
2.2 Was der Beschwerdeführer gegen die Verhältnismässigkeit des Widerrufs vorbringt, dringt nicht durch (Art. 96 AuG; BGE 135 II 377 E. 4.3 S. 381 f.):
2.2.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung von Art. 8 EMRK bzw. Art. 13 BV, wobei er der Vorinstanz hauptsächlich vorwirft, den Sachverhalt offensichtlich unrichtig festgestellt (Art. 97 Abs. 1 BGG) und durch eine unzulässige antizipierte Beweiswürdigung seinen Anspruch auf rechtliches Gehör (Art. 29 Abs. 2 BV) verletzt zu haben. Die Behauptungen des Beschwerdeführers sind jedoch zum einen widersprüchlich, indem er behauptet, es bestünde eine intensive Partnerschaft zu A._ und zugleich Beziehungsprobleme einräumt, die auf sein kriminelles Verhalten zurückzuführen seien. Auch widersprechen seine Behauptungen vor der Vorinstanz (zivile Heirat; zweite Tochter) den Angaben, die er anlässlich der persönlichen Einvernahme am 30. November 2010 gemacht hat. Zum anderen ist die Vorinstanz gestützt auf die Sachverhaltsabklärungen zu Recht davon ausgegangen, dass die Beziehung zu seiner Partnerin nicht durch Art. 8 EMRK geschützt ist, kommt sie doch angesichts des fehlenden offiziellen Zusammenlebens und der eingeräumten Beziehungsschwierigkeiten bezüglich Art und Stabilität in ihrer Substanz nicht einer Ehe gleich (BGE 135 I 143 E. 3.1 S. 148; Urteil 2C_634/2011 vom 27. Juni 2012 E. 4.2.2 mit Hinweisen). Daran vermöchte weder eine allfällige Vaterschaft zum zweiten Kind noch eine inzwischen eingetretene Annäherung zur Partnerin etwas zu ändern.
Überdies ist gegenüber der jüngeren Tochter - selbst wenn man von einer leiblichen Vaterschaft des Beschwerdeführers ausgehen wollte - die rechtsprechungsgemäss erforderliche besonders enge Beziehung in wirtschaftlicher und affektiver Hinsicht nicht gegeben, hat sich doch der Beschwerdeführer nach eigenen Angaben noch nicht einmal um eine rechtliche Anerkennung der Vaterschaft bemüht, obwohl dies möglich wie auch zumutbar und entgegen seiner Behauptung nicht kompliziert wäre (Art. 260 ZGB; Urteile 2C_382/2012 vom 7. Dezember 2012 E. 2.3; 2C_336/2012 vom 3. August 2012 E. 3.2; 2C_298/2012 vom 5. April 2012 E. 2.1.2; je mit Hinweisen). Unter diesen Umständen hat die Vorinstanz zu Recht auf weitere Sachverhaltsabklärungen verzichtet.
2.2.2 Zu den Eltern und Geschwistern ist ein besonderes Abhängigkeitsverhältnis weder erstellt noch behauptet (Urteile 2C_197/2012 vom 29. Oktober 2012 E. 4.3; 2C_281/2012 vom 23. Oktober 2012 E. 3.1; je mit Hinweisen). Auch legt der Beschwerdeführer nicht dar, inwiefern seine Anwesenheit in der Schweiz zu einer überdurchschnittlichen Verbundenheit mit den hiesigen Verhältnissen geführt haben soll (BGE 130 II 281 E. 3.2.1 S. 286; Urteil 2C_730/2011 vom 24. Februar 2012 E. 2.3; je mit Hinweisen). Abgesehen von seiner fortgesetzten Delinquenz hat der Beschwerdeführer nur eine rudimentäre berufliche Ausbildung absolviert (2-jährige Anlehre) und ist erheblich verschuldet.
2.2.3 Zu seiner Tochter B._ besteht dagegen nach der vorinstanzlichen Feststellung eine enge Beziehung, ungeachtet des Umstandes, dass die Mutter Inhaberin der elterlichen Sorge und Obhut ist und der Beschwerdeführer nie mit der Tochter zusammengelebt hat. Zu Recht kommt die Vorinstanz zum Schluss, dass das erhebliche öffentliche Interesse am Widerruf der Niederlassungsbewilligung (dazu E. 2.2) vorliegend die entgegenstehenden Interessen des Beschwerdeführers und seiner Tochter überwiegt. Der nicht sorgeberechtigte Beschwerdeführer kann die familiäre Beziehung zu seiner Tochter im Rahmen von Kurzaufenthalten vom Ausland her ausüben. Ein weiter gehender Anspruch auf Anwesenheit entfällt, weil sich der Beschwerdeführer nicht tadellos verhalten hat (Urteile 2C_382/2012 vom 7. Dezember 2012 E. 2.3; 2C_336/2012 vom 3. August 2012 E. 3.2; 2C_298/2012 vom 5. April 2012 E. 2.1.2; je mit Hinweisen).
Auch der Umstand, dass sich der Beschwerdeführer seit der jüngsten Verurteilung offenbar wohlverhalten hat, ändert hieran nichts: Der Beschwerdeführer befindet sich nach wie vor in der strafrechtlichen Probezeit; im Übrigen ist sein ausländerrechtliches Bewilligungsverfahren hängig, sodass ein korrektes Verhalten seinerseits naheliegt und keine definitive Aussage über die Rückfallgefahr zulässt (BGE 134 II 10 E. 4.3 S. 24; Urteil 2C_298/2012 vom 5. April 2012 E. 2.2.1). Offensichtlich unzutreffend ist der Einwand, in der dreijährigen Zuchthausstrafe sei "ein grosser Teil widerrufener Strafen enthalten". Der Widerruf des bedingten Vollzugs der Vorstrafen erfolgte zusätzlich zur dreijährigen Zuchthausstrafe.
2.2.4 Wie die Vorinstanz zu Recht ausführt, ist dem Beschwerdeführer eine Rückreise nach Serbien zumutbar. Was der Beschwerdeführer dagegen vorbringt, erschöpft sich in Allgemeinheiten bzw. unzulässiger appellatorischer Kritik. Namentlich setzt er sich nicht rechtsgenüglich mit der grundsätzlich verbindlichen (Art. 105 Abs. 1 BGG) Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz auseinander, er verfüge weiterhin über die serbische Staatsangehörigkeit. Gegen das Verneinen von Vollzugshindernissen durch die kantonalen Vorinstanzen steht die subsidiäre Verfassungsbeschwerde offen (Art. 113 ff. BGG; BGE 137 II 305 E. 3.3 S. 310 f.), wobei vorliegend weder ein ausdrücklicher Antrag (Art. 42 Abs. 1 BGG) noch eine rechtsgenügliche Begründung vorliegt (Art. 116 i.V.m. Art. 106 Abs. 2 BGG).
2.3 Für alles Weitere kann auf die zutreffenden Ausführungen im vorinstanzlichen Urteil verwiesen werden (Art. 109 Abs. 3 BGG).
3. Da die Eingabe von vornherein aussichtslos war, kann dem Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege im bundesgerichtlichen Verfahren nicht entsprochen werden (Art. 64 BGG). Der unterliegende Beschwerdeführer wird deshalb kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Es sind keine Parteientschädigungen geschuldet (vgl. 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, 15. Februar 2013
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Zünd
Der Gerichtsschreiber: Egli