Sachverhalt:
A. Die Anklage wirft X._ vor, am 25. Februar 2010 in Zürich von A._ zehn Kilogramm Heroingemisch (Reinheitsgehalt 45%) übernommen zu haben. Tags zuvor sollen sich die beiden und B._ im Restaurant "C._" in Zürich getroffen haben, um die Drogenübernahme zu besprechen.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 19. November 2012 zweitinstanzlich wegen qualifizierter Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz zu einer Freiheitsstrafe von fünf Jahren.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen und beantragt im Hauptpunkt, das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben, und er sei von Schuld und Strafe freizusprechen.
Auf das Gesuch um Entlassung aus dem vorzeitigen Strafantritt trat das Bundesgericht am 21. Februar 2013 nicht ein.
Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer verweist mehrfach auf seine Ausführungen anlässlich der Berufungsverhandlung, was unzulässig ist (BGE 138 IV 47 E. 2.8.1 S. 54; 133 II 396 E. 3.1 S. 399 f.; je mit Hinweisen).
2. Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe sein rechtliches Gehör verletzt (Art. 29 Abs. 2 BV). Sie habe sich nicht mit den Vorbringen der Verteidigung, insbesondere der detaillierten Aussageanalyse auseinandergesetzt. Sie sei so ihrer Begründungspflicht nicht nachgekommen. Zudem habe sie seine Beweisanträge willkürlich abgelehnt.
2.1 Inwiefern das Urteil ungenügend begründet sein sollte, ist nicht ersichtlich. Es ergibt sich daraus mit genügender Klarheit, weshalb die Vorinstanz den angeklagten Sachverhalt für erstellt erachtet. Auch setzt sie sich ausführlich mit den Argumenten der Verteidigung auseinander (Urteil S. 12 - 16). Damit ist der Anspruch auf rechtliches Gehör gewahrt (vgl. BGE 136 I 229 E. 5.2 S. 236 mit Hinweisen).
2.2 Dieser Grundsatz ist auch nicht verletzt, wenn ein Gericht auf die Abnahme beantragter Beweismittel verzichtet, weil es auf Grund der bereits abgenommenen Beweise seine Überzeugung gebildet hat und in vorweggenommener Beweiswürdigung willkürfrei annehmen kann, dass seine Überzeugung durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert würde (BGE 136 I 229 E. 5.3 S. 236 mit Hinweisen). Welche Beweismittel das Beweisergebnis massgeblich geändert hätten, legt der Beschwerdeführer nicht dar. Diesbezüglich ist auf die Beschwerde nicht einzutreten (vgl. BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 S. 5 mit Hinweisen).
3. Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz unter Hinweis auf Art. 32 Abs. 1 BV die Verletzung der Unschuldsvermutung und eine willkürliche Beweiswürdigung vor.
3.1 Dass die Vorinstanz dem Beschwerdeführer die Beweislast auferlegt hätte, zeigt er nicht auf. Als Beweiswürdigungsregel geht der Grundsatz nicht über das Willkürverbot hinaus (BGE 138 V 74 E. 7 S. 81 f.; 127 I 38 E. 2a S. 41; je mit Hinweisen).
3.2 Soweit der Beschwerdeführer der vorinstanzlichen Beweiswürdigung lediglich seine Sicht der Dinge gegenüberstellt, ohne sich detailliert damit auseinanderzusetzen, erschöpfen sich seine Ausführungen in einer appellatorischen Kritik am vorinstanzlichen Urteil. Darauf ist nicht einzutreten (BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 S. 5 mit Hinweisen). Dies ist beispielsweise der Fall, wenn er vorbringt, die Glaubwürdigkeit des A._ sei wegen seiner Vorstrafe stark angeschlagen, dieser habe ein plausibles Motiv für die Falschbeschuldigung, oder indem er einwendet, die früheren Belastungen von A._ seien völlig unglaubhaft, und dabei auf die Plädoyernotizen vor der Vorinstanz verweist.
An der Sache vorbei geht das Vorbringen, die Verteidigung habe klar widerlegt, dass es Androhungen von Repressalien gegen A._ aus dem Umfeld des Beschwerdeführers gegeben habe. Die Vorinstanz hat diese Frage offengelassen (vgl. Urteil S. 14 Absatz 2).
3.3 Der Beschwerdeführer rügt die vorinstanzliche Erwägung, aus welchen Gründen die früheren Belastungen des A._ glaubhafter seien als deren Widerruf, als willkürlich. Gestützt auf die glaubhaften entlastenden Aussagen würden erhebliche Zweifel an seiner Schuld bestehen.
Die Einwände des Beschwerdeführers lassen die vorinstanzlichen Feststellungen nicht offensichtlich unhaltbar erscheinen. In seinen Ausführungen zeigt er lediglich auf, dass man auch zu einem anderen Beweisergebnis hätte gelangen können. Dies reicht nicht, um Willkür darzutun (BGE 138 I 49 E. 7.1 S. 51). Bezüglich der Gründe für den Widerruf der Belastungen durch A._ führt der Beschwerdeführer einzig Argumente an, die den Widerruf als glaubhaft erscheinen liessen. Gleiches gilt hinsichtlich der Glaubhaftigkeit der ersten Aussagen des A._.
Die Vorinstanz erwähnt zwar nicht, dass A._ nach der Konfrontationseinvernahme den Beschwerdeführer konstant entlastete. Doch lässt dieser seinerseits auch unerwähnt, dass A._ ihn in mehreren Einvernahmen, die über fünf Monate auseinander liegen, belastete (act. 3/4 S. 7 ff. und act. 3/9 S. 2).
Dass A._ den Beschwerdeführer bei der Foto-Wahl-Konfrontation verwechselt hat, schliesst die Vorinstanz unter anderem aus, weil er ihn als Kunden seines Reisebüros kannte (Urteil S. 15). Dies vermag der Beschwerdeführer nicht zu widerlegen.
4. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung. Die Freiheitsstrafe von fünf Jahren sei insbesondere im Verhältnis zur Strafe des A._ von zehn Jahren für eine mehr als zehnmal grössere Drogenmenge unvertretbar hoch.
Die Vorinstanz vergleicht die Strafe des Beschwerdeführers zu Recht nicht mit derjenigen des A._, sondern nimmt für beide eine individuelle Strafzumessung vor.
Der Beschwerdeführer beruft sich (implizit) auf den Grundsatz der Gleichbehandlung und Gleichmässigkeit der Strafzumessung, wonach sich jeder Mittäter für den ihm zukommenden Anteil an der Unrechtmässigkeit der Tat zu verantworten hat (vgl. BGE 135 IV 191 E. 3.2 S. 193 f.). Damit bringt er vor, der Drogenmenge komme bei der Strafzumessung eine vorrangige Bedeutung zu, was nicht zutrifft. Die Strafe ist nicht in erster Linie nach der Gefährlichkeit der Drogen, sondern insbesondere nach dem Verschulden des Täters zu bemessen (vgl. BGE 118 IV 342 E. 2.c S. 348). Die Vorinstanz hat alle für die Strafzumessung wesentlichen Gesichtspunkte gewürdigt. Dabei hat sich die Täterkomponente beim Beschwerdeführer straferhöhend ausgewirkt, während sie bei A._ zu einer Minderung der hypothetischen Einsatzstrafe führte (Urteil S. 18 Ziff. 2.3. ff. und S. 23 f. Ziff. 3.4.).
Die Freiheitsstrafe von fünf Jahren ist bundesrechtlich nicht zu beanstanden (vgl. BGE 136 IV 55 E. 5.6 S. 61).
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann.
Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege 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 (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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 11. April 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Andres