Sachverhalt:
A. Das Geschworenengericht des Kantons Zürich verurteilte am 17. Dezember 2010 X._ wegen mehrfacher schwerer Körperverletzung zu einer Freiheitsstrafe von 9 Jahren und 6 Monaten. Dem Schuldspruch lagen schwerwiegende Kindsmisshandlungen zugrunde, die er während eines längeren Zeitraums begangen hatte.
Das Kassationsgericht des Kantons Zürich hiess am 14. Mai 2012 die Beschwerde, die X._ gegen das Urteil des Geschworenengerichts erhoben hatte, gut und wies die Sache zur Neubeurteilung im Sinne der Erwägungen an das Bezirksgericht Pfäffikon, das nach der Abschaffung des Geschworenengerichts an dessen Stelle getreten war. Das Kassationsgericht gelangte zum Schluss, die Verurteilung verletze in einzelnen Punkten das Anklageprinzip gemäss § 162 der noch anwendbaren zürcherischen Strafprozessordnung vom 4. Mai 1919 (StPO/ZH).
B. Die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich beantragt dem Bundesgericht mit Beschwerde in Strafsachen, den Entscheid des Kassationsgerichts vom 14. Mai 2012 aufzuheben und die Strafsache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
X._ stellt den Antrag, es sei auf die Beschwerde nicht einzutreten, evtl. sei sie abzuweisen, soweit darauf einzutreten sei. Z._ ersucht um Gutheissung der Beschwerde. Das Kassationsgericht hat auf eine Vernehmlassung verzichtet.
Erwägungen:
1. 1.1 Der angefochtene Beschluss weist die Sache zur Neubeurteilung an das Bezirksgericht Pfäffikon zurück. Es handelt sich somit um einen Zwischenentscheid, der nur unter den in Art. 93 Abs. 1 BGG genannten Voraussetzungen beim Bundesgericht anfechtbar ist. Es obliegt der Beschwerdeführerin detailliert darzutun, dass diese Voraussetzungen erfüllt sind, soweit dies nicht offensichtlich der Fall ist (BGE 137 III 324 E. 1.1 S. 328 f.; 133 III 629 E. 2.3.1 und 2.4.2 S. 632 f.; je mit Hinweisen).
Die Beschwerdeführerin macht zu Recht nicht geltend, dass der Entscheid der Vorinstanz einen nicht wieder gutzumachenden Nachteil gemäss Art. 93 Abs. 1 lit. a BGG bewirke. Die Verlängerung des Verfahrens, die mit einer Rückweisung verbunden ist, begründet nach der Rechtsprechung keinen solchen Nachteil (BGE 133 IV 139 E. 4 S. 141 mit Hinweisen).
Zu prüfen ist daher allein, ob der Beschwerdeweg an das Bundesgericht gestützt auf Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG offen steht.
1.2 Nach der genannten Norm können Zwischenentscheide beim Bundesgericht angefochten werden, wenn die Gutheissung der Beschwerde sofort einen Endentscheid herbeiführen und damit einen bedeutenden Aufwand an Zeit oder Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren ersparen würde. Das erste Erfordernis ist erfüllt, wenn bei Gutheissung der Beschwerde sogleich in der Sache selber abschliessend und endgültig entschieden werden könnte (BGE 133 III 629 E. 2.4.1 S. 633 mit Hinweis). Dagegen fehlt diese Voraussetzung, wenn das Bundesgericht bei einem vom vorinstanzlichen Entscheid abweichenden Urteil die Sache zur weiteren Beurteilung an die Vorinstanz zurückweisen müsste (BGE 127 III 433 E. 1c/aa S. 436 mit Hinweisen).
1.3 Die Beschwerdeführerin macht geltend, die Rückweisung der Strafsache an das Bezirksgericht Pfäffikon verursache einen aussergewöhnlichen Aufwand. Das belege der Umfang, den das Verfahren vor Geschworenengericht angenommen habe. So nehme die Beweiswürdigung in dessen Urteil über 150 Seiten ein, und allein das Protokoll der Verhandlung beanspruche drei Ordner. Diese Argumentation übersieht, dass das Bezirksgericht Pfäffikon nicht das ganze Verfahren wiederholen, sondern lediglich eine neue Beweiswürdigung unter Weglassung der beanstandeten Sachverhalte vornehmen muss. Weiter fällt in Betracht, dass die Rechtsprechung das Erfordernis der Kosteneinsparung in Strafverfahren strenger handhabt als in Zivilprozessen (vgl. Urteil 6B_782/2008 vom 12. Mai 2009 E. 1.4.2 und 1.4.3, in: Pra 2009 Nr. 115 S. 787). Es kann indessen offen bleiben, ob der durch den vorinstanzlichen Entscheid verursachte Aufwand es rechtfertigen würde, auf das erhobene Rechtsmittel einzutreten, da bereits das erste in Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG genannte Erfordernis nicht gegeben ist.
Der Beschwerdeführerin ist nicht entgangen, dass ein im fraglichen Punkt von der Vorinstanz abweichendes Urteil des Bundesgerichts nicht sogleich einen Endentscheid herbeizuführen vermöchte. Vielmehr müsste in diesem Fall die Sache an das nunmehr anstelle des Kassationsgerichts zuständige Obergericht zurückgewiesen werden, damit dieses noch die Beweiswürdigung des Geschworenengerichts überprüft. Das Kassationsgericht ist nämlich auf diese Frage nicht eingegangen, dies mit der Begründung, das Bezirksgericht habe ohnehin eine neue umfassende Beweiswürdigung vorzunehmen.
Für eine weitergehende Auslegung von Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG, wie sie der Beschwerdeführerin offenbar vorschwebt, besteht kein Anlass. Sie stünde mit der bisher befolgten Praxis im Widerspruch, diese - ursprünglich nur in der Zivilrechtspflege bekannte - Norm im Strafverfahren restriktiv auszulegen (vgl. das bereits zitierte Urteil 6B_782/2008 vom 12. Mai 2009 E. 1.4, in: Pra 2009 Nr. 115 S. 787). Es bleibt somit dabei, dass die Gutheissung der Beschwerde durch das Bundesgericht nicht sofort einen Endentscheid herbeiführen kann und damit die Voraussetzungen von Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG nicht gegeben sind.
2. Aus diesen Gründen ist auf die Beschwerde nicht einzutreten.
Der Beschwerdeführerin sind trotz ihres Unterliegens keine Kosten aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 4 BGG). Das Gesuch der Beschwerdegegnerin 3 um unentgeltliche Rechtspflege ist abzuweisen, da ihr Begehren auf Gutheissung der Beschwerde als aussichtslos zu bezeichnen ist. Es rechtfertigt sich indessen nicht, ihr Kosten aufzuerlegen. Die Beschwerdeführerin hat den Beschwerdegegner 1 für das bundesgerichtliche Verfahren angemessen zu entschädigen (Art. 68 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Auf die Beschwerde wird nicht eingetreten.
2. Das Gesuch der Beschwerdegegnerin 3 um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
4. Der Kanton Zürich hat den Beschwerdegegner 1 für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 2'000.-- zu entschädigen.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Kassationsgericht des Kantons Zürich schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 6. November 2012
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Fonjallaz
Der Gerichtsschreiber: Dold