Faits:
A. M._, ressortissante suisse d'origine étrangère née en 1953, travaillait en qualité de gérante-vendeuse d'une boutique de confection. Victime en 2004 d'une agression, elle a transmis à Winterthur assurances (aujourd'hui: Axa-Winterthur), assureur-accidents ayant pris en charge son cas, un rapport d'expertise privée (du 5 octobre 2005) du docteur E._, spécialiste FMH en chirurgie orthopédique. L'assureur-accidents a pour sa part confié la réalisation d'une expertise au docteur B._, spécialiste FMH en neurologie (rapports des 11 mai 2007 et 26 mai 2008).
Le 19 janvier 2010, la prénommée a déposé auprès de l'Office cantonal de l'assurance-invalidité du Valais (ci-après: l'office AI) une demande tendant à l'octroi d'une rente, invoquant des cervico-céphalgies, des vertiges, des troubles mnésiques, une dépression et d'autres troubles psychiques. L'administration a versé à la cause le dossier constitué par l'assureur-accidents et sollicité notamment l'avis de la doctoresse D._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie, médecin traitant. Celle-ci a retenu un épisode dépressif sévère durable, une modification persistante de la personnalité, un syndrome douloureux chronique ainsi que des cervicalgies et des céphalées durables (rapport du 3 mars 2010). Afin de compléter ces données, l'office AI a chargé la Clinique X._ de réaliser une expertise pluridisciplinaire. L'assurée a été examinée par les docteurs U._, spécialiste FMH en rhumatologie et en médecine interne (rapport du 30 septembre 2010), H._, spécialiste FMH en neurologie, et G._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie (rapport du 1er octobre 2010). Les experts ont posé les diagnostics sans répercussion sur la capacité de travail d'épisode dépressif modéré avec syndrome somatique, de cervicalgies chroniques, de céphalées d'origine mixte (tensionnelle et médicamenteuse) et de status après opération d'une hernie discale L5-S1 pour syndrome radiculaire S1 à droite (rapport final du 19 novembre 2010).
Sur la base de ces éléments, l'office AI a envisagé par projet de décision du 15 février 2011 de reconnaître à M._ le droit à une rente entière pour une durée limitée dans le temps entre le 1er juillet et le 31 décembre 2010. Il a notamment estimé que l'assurée présentait à compter du 1er octobre 2010 une pleine capacité de travail dans toute activité.
Faisant part à l'administration de ses objections, l'assurée lui a transmis un rapport du Centre Régional Travail et Orientation (CRTO) de Y._ (rapport du 5 septembre 2011). Il ressort de ce document qu'un stage entrepris par M._ en août 2011 auprès de cette institution, qui devait prendre fin le 31 décembre suivant, a été interrompu le 5 septembre 2011. L'office AI a maintenu sa position par décision du 27 septembre 2011.
B. L'assurée a déféré cette décision devant le Tribunal cantonal du canton du Valais. Elle a produit un rapport du docteur K._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie, médecin traitant, qui retenait un épisode dépressif sévère sans symptômes psychotiques; selon ce médecin, la capacité de travail, qui ne dépassait actuellement pas 25 %, pourrait atteindre 50 % au terme de mesures de réinsertion professionnelle réussies (rapport du 27 octobre 2011). L'office AI a soumis ce document pour appréciation à son Service médical régional (SMR; avis du docteur A._, spécialiste FMH en psychiatrie et psychothérapie, du 19 janvier 2012). Le tribunal cantonal a rejeté le recours par jugement du 2 juillet 2012.
C. M._ interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement dont elle demande l'annulation. Elle conclut à l'octroi d'une rente entière de l'assurance-invalidité à compter du 1er juillet 2010 sur la base d'une invalidité de 75 %, éventuellement à la mise en ?uvre d'une instruction complémentaire sous forme notamment d'une expertise pluridisciplinaire et d'une enquête économique.
Le Tribunal fédéral a renoncé à procéder à un échange d'écritures.
Considérant en droit:
1. Le recours en matière de droit public peut être formé pour violation du droit, tel qu'il est délimité par les art. 95 et 96 LTF. Le Tribunal fédéral applique le droit d'office (art. 106 al. 1 LTF), sans être limité par les arguments du recourant ou par la motivation de l'autorité précédente. Le Tribunal fédéral n'examine en principe que les griefs invoqués, compte tenu de l'exigence de motivation prévue à l'art. 42 al. 2 LTF, et ne peut aller au-delà des conclusions des parties (art. 107 al. 1 LTF). Il fonde son raisonnement sur les faits retenus par la juridiction de première instance (art. 105 al. 1 LTF), sauf s'ils ont été établis de façon manifestement inexacte ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF (art. 105 al. 2 LTF). Le recourant qui entend s'écarter des faits constatés doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions de l'art. 105 al. 2 LTF sont réalisées sinon un état de fait divergent ne peut être pris en considération.
2. Le litige porte sur le droit de la recourante à une rente entière de l'assurance-invalidité (à compter du 1er janvier 2011), singulièrement sur sa capacité de travail. Le jugement entrepris cite correctement les principes juridiques applicables, en particulier ceux relatifs à la valeur probante des documents médicaux et à l'appréciation anticipée des preuves, si bien qu'il suffit d'y renvoyer.
3. Les premiers juges ont retenu, en privilégiant les conclusions des experts au détriment de celles des médecins traitants de la recourante, que celle-ci disposait depuis le 30 septembre 2010 d'une pleine capacité de travail dans l'activité habituelle. L'expert psychiatre avait clairement expliqué les motifs qui l'avaient conduit à s'écarter de la position de la doctoresse D._ et il ressortait de l'avis du médecin du SMR que le docteur K._ avait fait état d'un statut psychopathologique incomplet, n'avait pas mentionné les symptômes spécifiques d'une dépression sévère susceptible d'affecter la capacité de travail et avait posé un diagnostic qui ne correspondait ni au tableau décrit ni au traitement dont bénéficiait la recourante. Quant à l'interruption du stage effectué auprès du CRTO, elle était principalement due aux plaintes émises par l'intéressée et n'était donc pas propre à remettre en cause l'exigibilité retenue par les médecins de X._. L'audition en qualité de témoin de la fille de la recourante et d'une amie de cette dernière ne serait enfin pas à même d'apporter un éclairage nouveau et décisif sur la capacité de travail, si bien qu'il y avait lieu de renoncer à la mise en ?uvre de cette mesure probatoire.
4. Se plaignant d'une constatation manifestement inexacte des faits pertinents, consécutive à une mauvaise appréciation (anticipée) des preuves, la recourante reproche aux premiers juges de s'être ralliés aux conclusions des experts. Ces derniers auraient fait état de troubles physiques et psychiques beaucoup moins importants que ceux retenus par les autres médecins qui l'avaient examinée, se seraient focalisés sur les conséquences de son agression sans tenir suffisamment compte des autres atteintes à sa santé et auraient fondé leurs conclusions relatives à ses troubles psychiques sur une anamnèse insuffisante et erronée - que l'instance cantonale l'aurait empêchée d'établir correctement en refusant d'entendre les témoins dont elle avait demandé l'audition. Elle aurait par ailleurs effectué, en juin 2010 et juin 2011, des tentatives de reprise d'une activité lucrative - passées sous silence par l'instance cantonale - qui se seraient soldées par des échecs en raison de ses problèmes de santé; cet élément démontrerait, à l'instar de l'interruption du stage suivi auprès de la CRTO, qu'elle n'est plus en mesure de travailler.
5. Les critiques de la recourante ne sont pas de nature à remettre en cause la valeur probante du rapport des médecins de X._. Celui-ci repose sur une étude complète et circonstanciée, tient compte des plaintes de l'intéressée et ne contient pas d'incohérences; il comporte en outre des conclusions claires, dûment motivées et convaincantes au regard du dossier. Les spécialistes en question ont appréhendé la situation médicale dans son ensemble, retenant au titre de diagnostic sans répercussion sur la capacité de travail un status après opération en 2002 d'une hernie discale lombaire, précisant (sur la base d'une IRM récente, respectivement de l'examen clinique) que le segment en question était sans particularité et que l'appareil locomoteur ne présentait aucune limitation (rapport final du 19 novembre 2010 p. 11; rapport du docteur U._ du 30 septembre 2010, p. 5). Etant donné que la recourante n'a jamais fait référence à son parcours de vie (en particulier aux conditions dans lesquelles elle a quitté son pays d'origine) au cours de l'expertise, elle ne peut pas reprocher aux médecins de X._ d'avoir omis la prise en compte de cet élément dans l'évaluation de son état de santé psychique; en tout état de cause elle ne saurait arguer que cette donnée revêt un caractère déterminant dès lors que le rapport de la doctoresse D._, dont elle se prévaut, n'y fait aucunement allusion. Elle ne cherche en outre pas à expliquer en quoi l'opinion de certains médecins l'ayant examinée (notamment les docteurs B._ et E._) serait d'un point de vue objectif mieux fondée que celle des experts ou justifierait, à tout le moins, la mise en oeuvre d'une mesure d'instruction complémentaire. L'intéressée ne discute pas non plus les motifs qui ont amené les premiers juges à évincer le rapport du docteur K._, se limitant à relever que celui-ci comporte une anamnèse particulièrement détaillée. Le dossier ne contient au demeurant aucun élément à l'appui de son affirmation selon laquelle le docteur B._, ainsi que d'autres médecins (les docteurs J._ et P._), auraient fait état d'un épisode dépressif sévère. Enfin, l'argumentation tirée de tentatives infructueuses de reprise du travail, respectivement de l'interruption du stage effectué auprès du CRTO, n'est pas susceptible de remettre en question l'opinion des médecins de X._ dès lors qu'elle repose uniquement sur des éléments subjectifs, à savoir l'allégation par la recourante - relayée dans le second cas par les responsables du centre précité - de douleurs et de limitations induites par celles-ci. Il s'ensuit que l'instance cantonale pouvait sans tomber dans l'arbitraire faire siennes les conclusions des experts.
6. Sur le vu de ce qui précède, le recours est mal fondé. Compte tenu de l'issue de la procédure, les frais judiciaires sont à la charge de la recourante, qui ne peut prétendre de dépens (art. 66 al. 1 et 68 al. 1 LTF). Elle a cependant sollicité le bénéfice de l'assistance judiciaire gratuite pour l'instance fédérale. Dès lors que les conditions en sont réalisées (art. 64 LTF), la recourante est dispensée du paiement des frais judiciaires et les honoraires de son avocate seront pris en charge par la caisse du Tribunal fédéral. L'attention de la recourante est attirée sur le fait qu'elle devra rembourser la caisse du Tribunal fédéral si elle devient en mesure de le faire ultérieurement (art. 64 al. 4 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. La demande d'assistance judiciaire est admise. Maître Laure Chappaz est désignée comme avocate d'office de la recourante.
3. Les frais judiciaires, arrêtés à 500 fr., sont mis à la charge de la recourante. Ils sont toutefois supportés provisoirement par la caisse du Tribunal.
4. Une indemnité de 2'800.- fr. est allouée à l'avocate de la recourante à titre d'honoraires à payer par la caisse du Tribunal.
5. Le présent arrêt est communiqué aux parties, au Tribunal cantonal valaisan, Cour des assurances sociales, et à l'Office fédéral des assurances sociales.
Lucerne, le 22 janvier 2013
Au nom de la IIe Cour de droit social
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Kernen
Le Greffier: Bouverat