Sachverhalt:
A. X._ wird neben einer Verletzung von Verkehrsregeln vorgeworfen, als Verkäufer der Y._ AG in vier Fällen Waren an Kunden gegen Barzahlung ausgehändigt zu haben. Er habe den Kunden die Barzahlung quittiert, jedoch die entgegengenommenen Beträge für sich behalten und geänderte Quittungsdurchschläge in die Kasse gelegt, die eine Bezahlung mittels Kreditkarten auswiesen.
B. Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 5. Dezember 2011 wegen Veruntreuung in vier Fällen und grober Verletzung der Verkehrsregeln zu einer bedingten Geldstrafe von 210 Tagessätzen zu Fr. 40.-- sowie zu einer Busse von Fr. 500.--. Vom Vorwurf der mehrfachen Urkundenfälschung sprach es ihn frei. Gleichzeitig wurde X._ zur Zahlung einer Parteientschädigung und Schadenersatz von insgesamt Fr. 15'381.-- an seine ehemalige Arbeitgeberin, die Y._ AG, verpflichtet.
C. Auf die von X._ erhobene Berufung gegen die Verurteilung wegen mehrfacher Veruntreuung sprach ihn das Obergericht des Kantons Zürich in einem Anklagepunkt frei, wies die Berufung im Übrigen ab und stellte die Rechtskraft des erstinstanzlichen Urteils fest, soweit dies nicht angefochten war. Es verurteilte X._ zu einer bedingten Geldstrafe von 180 Tagessätzen zu Fr. 40.-- sowie einer Busse von Fr. 500.-- und reduzierte die Ersatzforderung aufgrund des Teilfreispruchs um Fr. 1'300.--.
D. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, er sei vom Vorwurf der mehrfachen Veruntreuung vollumfänglich freizusprechen. Das obergerichtliche Urteil sei insoweit aufzuheben. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer rügt eine willkürliche Beweiswürdigung (Art. 9 BV) sowie eine daraus resultierende Missachtung seines Anspruchs auf rechtliches Gehör (Art. 29 Abs. 2 BV). Daneben macht er die Verletzung verschiedener Verfahrensrechte geltend.
2. 2.1 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zu Grunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung 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; Art. 105 Abs. 2 BGG). Offensichtlich unrichtig ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (BGE 137 III 266 E. 4.2 mit Hinweisen). Willkür in der Beweiswürdigung nach Art. 9 BV liegt vor, wenn die Behörde in ihrem Entscheid von Tatsachen ausgeht, die mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch stehen oder auf einem offenkundigen Fehler beruhen (BGE 138 I 49 E. 7.1; 136 III 552 E. 4.2). Eine entsprechende Rüge muss klar und substantiiert begründet werden (Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 137 IV 1 E. 4.2.3; 136 I 65 E. 1.3.1; je mit Hinweisen). Die Beschwerde führende Partei muss sich mit den für das Ergebnis des angefochtenen Entscheids massgeblichen Erwägungen gezielt auseinandersetzen und die Begründung in der Beschwerde selbst vorbringen. Ein Verweis auf frühere Rechtsschriften oder die Verfahrensakten ist unzulässig (BGE 133 II 396 E. 3.1 mit Hinweisen).
2.2 Aus dem Anspruch auf rechtliches Gehör (Art. 29 Abs. 2 BV) ergibt sich insbesondere das Recht der betroffenen Person, mit rechtzeitig und formgültig angebotenen Beweisanträgen und Vorbringen gehört zu werden, soweit diese erhebliche Tatsachen betreffen und nicht offensichtlich beweisuntauglich sind (BGE 138 V 125 E. 2.1; 137 II 266 E. 3.2; 136 I 265 E. 3.2; je mit Hinweisen). Ein Verzicht auf die Abnahme von weiteren Beweisen ist zulässig, wenn sich das Gericht aufgrund der bereits erhobenen Beweise seine Überzeugung gebildet hat und ohne Willkür in vorweggenommener Beweiswürdigung annehmen kann, dass die abgelehnten Beweisanträge nichts an seiner Überzeugung zu ändern vermögen (BGE 136 I 299 E. 5.3; 134 I 140 E. 5.3; je mit Hinweisen).
3. 3.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe in unzulässiger, antizipierter Beweiswürdigung den Sachverhalt falsch respektive nicht erstellt. Die Originalquittungen und die mit diesen nicht übereinstimmenden Durchschläge seien die einzigen Beweismittel. Es sei jedoch nicht erwiesen, dass er die Durchschläge visiert und die Vermerke über die Zahlungsart angebracht habe. Dies hätte lediglich durch ein Schriftengutachten ermittelt werden können, auf welches die Vorinstanz unter Verletzung von Bundesrecht verzichtet habe. Zudem sei im gesamten Verfahren nicht belegt worden, dass der Beschwerdegegnerin 2 überhaupt ein Schaden entstanden ist. Er sei somit - auch in Anwendung des Grundsatzes in dubio pro reo - freizusprechen.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe in unzulässiger, antizipierter Beweiswürdigung den Sachverhalt falsch respektive nicht erstellt. Die Originalquittungen und die mit diesen nicht übereinstimmenden Durchschläge seien die einzigen Beweismittel. Es sei jedoch nicht erwiesen, dass er die Durchschläge visiert und die Vermerke über die Zahlungsart angebracht habe. Dies hätte lediglich durch ein Schriftengutachten ermittelt werden können, auf welches die Vorinstanz unter Verletzung von Bundesrecht verzichtet habe. Zudem sei im gesamten Verfahren nicht belegt worden, dass der Beschwerdegegnerin 2 überhaupt ein Schaden entstanden ist. Er sei somit - auch in Anwendung des Grundsatzes in dubio pro reo - freizusprechen.
3.2 3.2.1 Was der Beschwerdeführer vorbringt, erschöpft sich weitgehend in einer blossen appellatorischen Kritik am angefochtenen Urteil, auf welche das Bundesgericht nicht eintritt. Er setzt sich in weiten Teilen seiner Beschwerde mit den differenzierten Erwägungen der Vorinstanz nicht bzw. nur ansatzweise auseinander und begründet nicht hinreichend, inwiefern die dem Entscheid zugrunde liegende Begründung bzw. der Entscheid selber im Ergebnis rechts- oder verfassungswidrig sein soll. Er beschränkt sich darauf, seine eigene Sicht der Verhältnisse zu schildern, diese der vorinstanzlichen Beweiswürdigung gegenüberzustellen und darzulegen, seine Auffassung sei derjenigen der Vorinstanz vorzuziehen ("Dieser Sachverhalt gilt als bestritten", Beschwerde S. 6; "Jedenfalls sind all diese Äusserungen in keiner Art und Weise widersprüchlich, sondern allesamt Möglichkeiten, wie es zu diesen Urkunden gekommen ist", Beschwerde S. 8, Ziff. 9). Eine solch rein appellatorische Kritik ist nicht geeignet, offensichtlich erhebliche und schlechterdings nicht zu unterdrückende Zweifel daran darzutun, dass sich der Anklagesachverhalt verwirklicht hat. Denn für die Begründung von Willkür, unter welchem Gesichtspunkt das Bundesgericht auch prüft, ob der Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel verletzt ist (BGE 127 I 38 E. 2a; Urteil 6B_260/2012 vom 19. November 2012 E. 2.1.3; je mit Hinweisen), genügt nicht, dass das angefochtene Urteil mit der Darstellung des Beschwerdeführers nicht übereinstimmt oder eine andere Lösung oder Würdigung vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre (BGE 137 I 1 E. 2.4). Der Beschwerdeführer hätte substantiiert darlegen müssen, inwiefern die Feststellungen der Vorinstanz offensichtlich unhaltbar sind oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch stehen und die vorhandenen Beweise andere Schlussfolgerungen geradezu aufdrängen. Diesen Anforderungen wird seine Beschwerde in weiten Teilen nicht gerecht.
Ebenso können bloss pauschale und nicht näher begründete Rügen von Verstössen gegen Verfahrensrechte ("die Vorinstanz [habe] Verfahrensrechte nach StPO, nach Bundesverfassung und nach EMRK 6 verletzt", Beschwerde S. 7 a.E. f., und "auch gegen Grundsätze im generellen Staatshandeln verstossen", Beschwerde S. 10 unten) keine Bundesrechtsverletzungen darlegen. Der Verweis auf Eingaben im kantonalen Verfahren (vgl. Beschwerde S. 5 Ziff. 4) ist unzulässig. Auf die Beschwerde ist insoweit nicht einzutreten.
3.2.2 Im Übrigen ist die Beschwerde unbegründet. Was der Beschwerdeführer gegen die Ablehnung seines Beweisantrags auf Einholung eines Schriftengutachtens vorbringt, erweist sich teilweise als unzutreffend und geht im Übrigen an der Sache vorbei. Nicht zutreffend ist, dass die visierten Quittungsbelege und -durchschläge das einzige Beweismittel sind. Die Vorinstanz erachtet die Täterschaft des Beschwerdeführers insbesondere aufgrund der Aussagen der Beschwerdegegnerin 2, verschiedener Zeugen und nicht zuletzt wegen dessen eigener Einlassungen als unzweifelhaft erstellt. Aus den von der Vorinstanz als glaubhaft eingestuften - und vom Beschwerdeführer im Übrigen auch nicht bestrittenen - Zeugenaussagen ergibt sich, dass der Beschwerdeführer die auf den Originalquittungen vermerkten Beträge jeweils in bar entgegengenommen hat. Unstreitig ist zudem, dass es sich bei den auf den Durchschlägen aufgeführten Waren um die Handschrift des Beschwerdeführers handelt, die Durchschriften nicht mit den Originalquittungen übereinstimmen und anstelle der Barbeträge in die Kasse gelegt wurden. Kreditkartenzahlungen in entsprechender Höhe sind der Beschwerdegegnerin 2 jedoch nicht gutgeschrieben worden, womit auch ein Vermögensschaden erstellt ist. Die Vorinstanz setzt sich sodann ausführlich mit sämtlichen, teilweise abenteuerlichen Vorbringen und Hypothesen des Beschwerdeführers auseinander, wie es zu den Abweichungen zwischen den Originalquittungen und den Durchschlägen gekommen sein könnte, und legt überzeugend dar, weshalb sie seinen Ausführungen nicht folgt. Dass sie sich von sachfremden Überlegungen hätte leiten lassen, ist nicht ersichtlich und vermag auch der Beschwerdeführer nicht darzutun. Es kann auf die umfassende und überzeugende vorinstanzliche Beweiswürdigung verwiesen werden. Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers war die Vorinstanz nicht gehalten, jedem seiner Erklärungsversuche nachzugehen, wenn jegliche Anhaltspunkte für deren Richtigkeit fehlen und die vorhandenen Beweismittel klar gegen sie sprechen. Dies gilt umso mehr, als die festgestellten Unregelmässigkeiten allesamt Zahlungsvorgänge betreffen, die zwischen dem Beschwerdeführer und von ihm bedienten Kunden stattgefunden haben, und Hinweise auf eine andere Täterschaft fehlen. Aufgrund der Indizien konnte die Vorinstanz willkürfrei davon ausgehen, dass der Beschwerdeführer nicht nur die Warenauflistungen auf den Durchschlägen, sondern auch die Zahlungsart vermerkt und die Durchschläge visiert hat. Sie durfte auf ein Schriftengutachten verzichten.
Zudem ist nicht ersichtlich, inwieweit das Ergebnis eines Schriftengutachtens die vorinstanzliche Beweiswürdigung zwingend als willkürlich hätte erscheinen lassen. Wer letztlich die Durchschläge visiert hat, ist für die Verurteilung wegen Veruntreuung aufgrund der übrigen Indizien nicht entscheidend. Selbst wenn die Zahlungsvermerke und Unterschriften auf den Durchschlägen nicht vom Beschwerdeführer stammen sollten, könnte dies die Abweichungen zwischen den Originalquittungen und den Durchschlägen sowie den Verbleib des fehlenden Bargeldes, welches der Beschwerdeführer unbestrittenerweise entgegengenommen hat, nicht erklären. Die Beweiswürdigung der Vorinstanz ist nicht zu beanstanden. Ihre Erwägungen lassen keine Willkür erkennen. Die Beschwerde ist unbegründet.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Bei diesem Ausgang des Verfahrens sind die Kosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist in Anwendung von Art. 64 BGG abzuweisen, weil die Beschwerde von vornherein aussichtslos war. Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Bemessung der Gerichtsgebühr Rechnung zu tragen (Art. 65 Abs. 2 BGG). Der Beschwerdegegnerin 2 ist keine Entschädigung auszurichten, da ihr vor Bundesgericht keine Umtriebe entstanden sind (Art. 68 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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, und dem Arbeitsgericht Zürich, 1. Abteilung, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. Januar 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Held