Sachverhalt:
A. X._ wird vorgeworfen, er habe Y._ am 10. September 2008 auf dem Weg zu ihrer Wohnung zehn bis zwölf Mal ins Gesicht geschlagen. Anschliessend habe er ihr befohlen, die Hosen herunter zu lassen, und sie zum Oralverkehr gezwungen. Danach habe er sie umgedreht und sei mit seinem Penis gegen ihren Willen in ihre Scheide eingedrungen.
In der Wohnung von Y._ habe er ein Messer aus der Küche genommen, damit ein Loch in ihre Hose geschnitten und ihr dabei einen 5 cm langen Kratzer zugefügt. Er habe sie zweimal ins Gesicht geschlagen, bevor sie sich habe ausziehen müssen. Er habe sie nackt auf den Boden gedrückt und erneut zum Oralverkehr gezwungen. Er habe ihr den Penis in die Scheide eingeführt, sei anschliessend in ihren After eingedrungen und habe den Penis abwechslungsweise gegen ihren Willen in ihren After und ihren Mund gestossen. Dadurch habe ihr Intimbereich geschmerzt und ihr After sei wund und aufgerissen gewesen.
Am 23./24. Oktober 2008 habe X._ Y._ mehrere Kerzen angeworfen. Er habe ihr mit einer Keramikschüssel mehrmals auf den Kopf geschlagen und gedroht, sie "grün und blau" zu schlagen. Nach einem misslungenen Fluchtversuch habe sie sich nackt ausziehen müssen, worauf er ihr mehrmals mit dem Hosengurt auf das Gesäss und die Oberschenkel geschlagen habe. Danach sei er mehrmals mit seinem Penis in ihren After eingedrungen. Er sei nach einer kurzen Pause auf ihre Arme gekniet und habe diese dadurch fixiert. Nachdem sie ihm gesagt habe, er müsse ihre Wohnung innert einer Woche verlassen, habe er seinen Penis mehrmals so tief in ihren Mund gesteckt, dass sie kaum mehr atmen konnte. Sie habe in der Folge erbrechen müssen und während mehrerer Wochen an Hals- und Schluckbeschwerden gelitten. X._ habe ihr gedroht, mit einem Glas ihr Gesicht aufzuschlitzen und sie umzubringen, wenn sie jemandem von den Vorfällen erzähle.
B. Das Bezirksgericht Uster verurteilte X._ am 6. Oktober 2011 wegen mehrfacher Vergewaltigung und mehrfacher sexueller Nötigung zu einer Freiheitsstrafe von 3 Jahren und 5 Monaten. Es ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an. Vom Vorwurf der Drohung sprach es ihn frei.
Die Parteien erhoben Berufung und die Staatsanwaltschaft des Kantons Zürich Anschlussberufung. Das Obergericht des Kantons Zürich trat am 19. Juni 2012 auf die Berufung von Y._ nicht ein. Es verurteilte X._ wegen mehrfacher Vergewaltigung, mehrfacher sexueller Nötigung und versuchter Drohung zu einer Freiheitsstrafe von 4 1⁄2 Jahren. Zudem ordnete es eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und er sei von den Vorwürfen der mehrfachen Vergewaltigung, der mehrfachen sexuellen Nötigung und der versuchten Drohung freizusprechen. Eventualiter sei die Sache zur neuen Beurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. X._ ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer beanstandet das forensisch-psychiatrische Gutachten von Dr. med. A._ vom 2. September 2010. Dieser sei als Gutachter voreingenommen und emotional befangen gewesen, weshalb das Gutachten aus dem Recht zu weisen sei (Beschwerde, S. 4 ff.)
1.2 Die Vorinstanz erwägt, ein Sachverständiger habe bei einem Gutachtensauftrag stets von demjenigen Sachverhalt auszugehen, den ihm die auftragerteilende Behörde vorgebe. Gestützt auf diese Arbeitshypothese sei es sein Auftrag, die forensisch-psychiatrisch indizierten Schlüsse zu ziehen. Es sei nicht ersichtlich, inwiefern der Gutachter befangen gewesen wäre (Urteil, S. 8).
1.3 Nach Art. 30 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK hat jede Person Anspruch darauf, dass ihre Sache von einem unabhängigen und unparteiischen Richter ohne Einwirken sachfremder Umstände entschieden wird. Nach der Rechtsprechung gelten für Sachverständige grundsätzlich die gleichen Ausstands- und Ablehnungsgründe, wobei sich die Anforderungen nach Art. 29 Abs. 1 BV richten (vgl. die Übersicht über die jüngere Rechtsprechung im Urteil 1B_188/2011 vom 1. Juni 2011 E. 3.2). Befangenheit ist etwa anzunehmen, wenn Umstände vorliegen, die geeignet sind, in objektiver Weise Misstrauen in die Unparteilichkeit zu erwecken (BGE 137 I 227 E. 2.1; 136 III 605 E. 3.2.1; 136 I 207 E. 3.1; je mit Hinweisen). Solche Umstände können insbesondere im Verhalten der betroffenen Person oder in äusseren Gegebenheiten funktioneller und organisatorischer Natur begründet sein. Auch ein persönliches Interesse am Verfahrensausgang sowie persönliche oder wirtschaftliche Beziehungen zu einem Verfahrensbeteiligten sind bedeutsam (Urteil 1B_188/2011 vom 1. Juni 2011 E. 3.2 mit Hinweisen).
Der Beschwerdeführer zeigt keine Gründe auf, welche Dr. A._ als befangen erscheinen lassen. So geht aus dem Gutachten nicht hervor, dass sich dieser bereits vor der Begutachtung eine Meinung gebildet oder das Verhalten des Beschwerdeführers einseitig bewertet hätte. Auch seine übrigen Vorwürfe, wie etwa, Dr. A._ habe eine ungenügende und unausgewogene Fremdanamnese durchgeführt, begründen nicht, weshalb dieser befangen gewesen wäre.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe den Sachverhalt willkürlich festgestellt. Er wendet sich gegen die vorinstanzlichen Erwägungen, wonach seine Aussagen unglaubhaft seien (Beschwerde, S. 40-42), verlangt eine Begutachtung der Beschwerdegegnerin 2 (Beschwerde, S. 9-12) und die Einvernahme seiner jetzigen Ehefrau (Beschwerde, S. 13). Er stellt weiter die Glaubwürdigkeit der Beschwerdegegnerin 2 und die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen in Frage (Beschwerde, S. 14-40).
2.2 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 im Sinne von Art. 97 Abs. 1 BGG ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (BGE 137 III 226 E. 4.2 mit Hinweisen; zum Begriff der Willkür BGE 138 I 49 E. 7.1; 136 III 552 E. 4.2; je mit Hinweisen). 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). Der Beschwerdeführer, der die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz anfechten will, muss mithin detailliert aufzeigen, inwiefern die gerügten oder fehlenden Feststellungen offensichtlich unrichtig sind oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruhen. In der Beschwerde muss im Einzelnen dargelegt werden, inwiefern der angefochtene Entscheid an einem qualifizierten und offensichtlichen Mangel leidet. Auf eine rein appellatorische Kritik tritt das Bundesgericht nicht ein (BGE 137 IV 1 E. 4.2.3; 136 II 489 E. 2.8; je mit Hinweisen).
2.3 Es kann auf die sorgfältigen und differenzierenden Ausführungen der Vorinstanz verwiesen werden (Urteil, S. 17-28). Sie legt ausführlich dar, weshalb keine grundsätzlichen Zweifel an der Glaubwürdigkeit der Beschwerdegegnerin 2 und an der Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen bestehen und auf diese abzustellen ist. Ebenfalls begründet sie einlässlich, aus welchen Gründen die Glaubhaftigkeit der Aussagen des Beschwerdeführers erheblich eingeschränkt ist (Urteil, S. 25 f.).
2.4 Der Beschwerdeführer zeigt nicht auf, inwiefern die Vorinstanz den Sachverhalt offensichtlich unrichtig festgestellt hätte. Was er gegen die tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz einwendet, erschöpft sich in einer appellatorischen Kritik. So äussert er lediglich die Vermutung, die Beschwerdegegnerin 2 könnte sich die Tatvorwürfe bloss eingebildet haben, und verlangt dazu ein fachärztliches Gutachten (Beschwerde, S. 15). Ebenfalls appellatorisch sind beispielsweise die Ausführungen des Beschwerdeführers, in denen er Schläge gegenüber der Beschwerdegegnerin 2 verneint (Beschwerde, S. 18 f.) oder ihre Verletzungen überhaupt in Abrede stellt (Beschwerde, S. 19 f.). Darauf ist nicht einzutreten.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer rügt, er habe die sexuellen Handlungen nicht vorsätzlich begangen, da er nicht habe erkennen können, dass diese gegen den Willen der Beschwerdegegnerin 2 erfolgt seien. Die Vorinstanz habe sich mit seinen diesbezüglichen Vorbringen nicht auseinandergesetzt, weshalb sie sein rechtliches Gehör verletzt habe (Beschwerde, S. 47). Zudem macht er in Bezug auf die inkriminierten Handlungen vom 10. September 2008 geltend, der Vergewaltigungstatbestand konsumiere die sexuelle Nötigung. Realkonkurrenz liege erst vor, wenn die anderen sexuellen Handlungen neben der Vergewaltigung auf selbständige sexuelle Befriedigung zielten (Beschwerde, S. 47 f.).
3.2 Die Vorinstanz verweist für die rechtliche Würdigung auf die erstinstanzlichen Ausführungen (Urteil, S. 29). Die pauschale Behauptung des Beschwerdeführers, die ablehnende Haltung der Beschwerdegegnerin 2 zum Geschlechtsverkehr nicht erkannt zu haben, ist unhaltbar. Die Vorinstanz legt ausführlich dar, dass sich die Beschwerdegegnerin 2 wiederholt und erkennbar gegen die sexuellen Übergriffe des Beschwerdeführers gewehrt und in die inkriminierten Handlungen nicht eingewilligt hat.
3.3 Die vom Beschwerdeführer geltend gemachte Konsumation der sexuellen Nötigung durch den Tatbestand der Vergewaltigung trifft nicht zu. Die Vorinstanz verletzt kein Bundesrecht, indem sie den sexuellen Handlungen in der Wohnung der Beschwerdegegnerin 2 zeitlich und örtlich eine eigenständige Bedeutung beimisst, nachdem sie der Beschwerdeführer während der vorgängigen Autofahrt bereits vergewaltigt hatte.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer bestreitet, die Beschwerdegegnerin 2 mit Wissen und Willen bedroht zu haben. Die Vorinstanz könne den subjektiven Tatbestand der Drohung nicht nachweisen (Beschwerde, S. 42-46).
4.2 Die Vorinstanz verneint einen rechtsgenügenden Nachweis, dass die mehrfachen Drohungen des Beschwerdeführers gegenüber der Beschwerdegegnerin 2 eine Panik bei ihr ausgelöst hätten. Allerdings leitet sie daraus nicht einen Freispruch ab, sondern stuft die Äusserungen des Beschwerdeführers zu Recht als versuchte Drohung ein (Urteil, S. 28 ff.). Die Vorinstanz sieht keine unüberwindbaren Zweifel, dass der Beschwerdeführer die von der Beschwerdegegnerin 2 geschilderten Drohungen ausgestossen hat. Sie begründet dies mit der von ihm ausgehenden sexuellen Gewalt und der festgestellten Tatumstände, was nicht zu beanstanden ist.
Auf die appellatorischen Vorbringen des Beschwerdeführers, weshalb er der Beschwerdegegnerin 2 nicht gedroht habe, ist nicht einzutreten. Dasselbe gilt für die Rüge, er habe ihr nicht vorsätzlich gedroht. Die Vorinstanz leitet den Tatvorsatz aus den Umständen der Sexualdelikte ab. Sie erwägt zutreffend, dass er die Drohungen gezielt als Mittel einsetzen wollte, um sich die Beschwerdegegnerin 2 wieder gefügig zu machen.
5. 5.1 Der Beschwerdeführer kritisiert die Strafzumessung der Vorinstanz. Es sei nicht nachvollziehbar, weshalb sie lediglich von einer leicht verminderten Schuldfähigkeit ausgehe. Seine psychischen Probleme und die damalige Alkoholabhängigkeit seien nicht berücksichtigt worden. Es müsse ein neues Gutachten erstellt werden, das sich über die Frage der Schuldfähigkeit äussere. Dieses würde feststellen, dass er stark vermindert schuldfähig bzw. schuldunfähig gewesen sei. Er wendet sich auch gegen die tatsächlichen Feststellungen zur objektiven und subjektiven Tatschwere. Die Einsatzstrafe sei auf maximal drei Jahre festzusetzen (Beschwerde, S. 48 ff. und S. 52 f.).
Die Vorinstanz lasse verschiedene strafmindernde Faktoren wie die lange Untersuchungshaft, seine Strafempfindlichkeit als Ehemann und Vater eines neugeborenen Kindes unberücksichtigt. Es verletze ferner Bundesrecht, die nicht einschlägigen Vorstrafen straferhöhend zu berücksichtigen. Nur der Umstand, dass er während der Probezeit delinquiert habe, könne ganz leicht straferhöhend in Rechnung gestellt werden. Strafmindernd sei hingegen, dass er die psychischen Probleme und seine Alkoholabhängigkeit in den Griff bekommen wolle und sich bei der Beschwerdegegnerin 2 entschuldigt habe. Die Vorinstanz habe zudem nicht beachtet, dass er bei RailFair und in einem Pflegeheim Freiwilligenarbeit leiste und sich für das Gemeinwohl einsetze (Beschwerde, S. 51 ff.)
5.2 Die Vorinstanz erwägt, die mehrfachen Tatbegehungen der Vergewaltigung und sexuellen Nötigung wirkten sich straferhöhend aus. Sie berücksichtigt im Rahmen des subjektiven Tatverschuldens das Ergebnis des forensisch-psychiatrischen Gutachtens, wonach der Beschwerdeführer im Tatzeitpunkt wegen Alkoholeinflusses in leichtem Grad vermindert schuldfähig war. Es seien keine Gründe ersichtlich, um von den Ausführungen und Schlussfolgerungen des Gutachters abzuweichen. Der Beschwerdeführer habe aus egoistischen Motiven gehandelt. Er habe nicht nur seinen Sexualtrieb befriedigen, sondern die Beschwerdegegnerin 2 demütigen und erniedrigen wollen. Er habe die sexuellen Übergriffe gezielt als Macht- und Unterdrückungsmittel eingesetzt.
Zur objektiven Tatschwere hält die Vorinstanz fest, dass die inkriminierten Taten massive Eingriffe in die sexuelle und physische Integrität der Beschwerdegegnerin 2 darstellten. Der Zwang zum Anal- und Oralverkehr hintereinander sei besonders abstossend und demütigend gewesen. Der Beschwerdeführer habe den Geschlechtsverkehr in brutaler und völlig rücksichtsloser Art und Weise erzwungen und während längerer Zeit nicht von seinem Opfer abgelassen. Das objektive Tatverschulden wiege daher schwer. Insgesamt rechtfertige sich eine Einsatzstrafe von 6 1⁄2 Jahren. Unter Berücksichtigung des wegen der leicht verminderten Schuldfähigkeit reduzierten subjektiven Verschuldens sei die Einsatzstrafe auf 5 Jahre festzusetzen. Eine erhöhte Strafempfindlichkeit ergebe sich aus seiner Ehe und dem familiären Kontext nicht. Dies gelte umso mehr, als seine Ehefrau derzeit in Spanien lebe und das gemeinsame Kind dort zur Welt bringen wolle. Der Beschwerdeführer weise zwei nicht einschlägige Vorstrafen auf, die zusammen mit seiner erneuten Delinquenz während laufender Probezeit leicht straferhöhend zu berücksichtigen seien. Da er sämtliche Taten bestreite, könne er nicht argumentieren, er habe sich wegen seiner Delinquenz in die Behandlung seiner psychischen Probleme und der Alkoholabhängigkeit begeben. Eine Strafminderung ergebe sich daher aus seinem Nachtatverhalten nicht. Insgesamt erweise sich eine Freiheitsstrafe von 4 1⁄2 Jahren als angemessen (Urteil, S. 30 ff.).
5.3 Gemäss Art. 47 StGB misst der Richter die Strafe nach dem Verschulden des Täters zu. Er beurteilt die Beweggründe, das Vorleben und die persönlichen Verhältnisse des Schuldigen. Es liegt im Ermessen des Sachrichters, in welchem Umfang er die verschiedenen Strafzumessungsfaktoren berücksichtigt. Das Bundesgericht greift nur in die Strafzumessung ein, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat, wenn sie von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist oder wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen beziehungsweise in Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat (BGE 135 IV 130 E. 5.3.1; 134 IV 17 E. 2.1; je mit Hinweisen).
5.4 Die Strafzumessung der Vorinstanz ist nicht zu beanstanden. Sie enthält die wesentlichen Tat- und Täterkomponenten und die nachvollziehbaren Schlüsse. Auf die appellatorischen Rügen des Beschwerdeführers, ist nicht einzutreten. An der Sache vorbei geht sein bereits behandeltes Vorbringen, es sei ein neues Gutachten über die Schuldfähigkeit einzuholen (oben E. 1). Sein Einwand, die Vorinstanz habe verschiedene strafmindernde Faktoren nicht in Rechnung gestellt, ist unbegründet. Sie hält zutreffend fest, dass die familiäre Situation des Beschwerdeführers keine besondere Strafempfindlichkeit begründet. Sie verneint auch nachvollziehbar, weshalb das Nachtatverhalten des Beschwerdeführers keine Strafminderung rechtfertigt. Die Vorinstanz verletzt kein Bundesrecht, indem sie seine Vorstrafen und seine Delinquenz während laufender Probezeit leicht straferhöhend wertet. Ebenfalls vertretbar ist die Nichtberücksichtigung seiner Freiwilligenarbeit, die er erst im April bzw. November 2011 aufgenommen hat, zumal diese in keinem Zusammenhang mit seiner Delinquenz steht.
6. 6.1 Der Beschwerdeführer beantragt, die Freiheitsstrafe zugunsten der ambulanten Massnahme aufzuschieben, weil andernfalls ein Rückschritt im Behandlungserfolg eintreten und seine Persönlichkeitsentwicklung Schaden nehme (Beschwerde, S. 54 f.).
6.2 Nach Art. 63 Abs. 2 StGB kann das Gericht den Vollzug einer zugleich ausgesprochenen Freiheitsstrafe zu Gunsten einer ambulanten Massnahme aufschieben, um der Art der Behandlung Rechnung zu tragen. Gemäss der Praxis des Bundesgerichts gilt der Grundsatz, dass die Strafe vollzogen und die ambulante Massnahme gleichzeitig durchgeführt werden. Der Aufschub ist die Ausnahme (BGE 129 IV 161 E. 4.1 und E. 4.3). Er ist an zwei Voraussetzungen gebunden. Einerseits muss der Täter ungefährlich und andererseits die ambulante Therapie vordringlich sein. Ein Aufschub muss sich aus Gründen der Heilbehandlung hinreichend rechtfertigen. Er ist anzuordnen, wenn die ambulante Therapie ausserhalb des Strafvollzugs im konkreten Einzelfall aktuelle und günstige Bewährungsaussichten eröffnet, die durch den Strafvollzug zunichte gemacht oder erheblich vermindert würden. Unter dem Gesichtspunkt des Gleichheitsgebotes muss der Behandlungsbedarf umso ausgeprägter sein, je länger die zu Gunsten der ambulanten Therapie aufzuschiebende Freiheitsstrafe ist (BGE 129 IV 161 E. 4.1; Urteil 6B_425/2012 vom 19. November 2012 E. 1.2; je mit Hinweisen).
6.3 Gemäss Gutachten von Dr. A._ vom 2. September 2010 kann der psychiatrischen Behandlung und Überwachung der komplexen psychischen Störung des Beschwerdeführers auch bei gleichzeitigem Strafvollzug Rechnung getragen werden. Der Beschwerdeführer begründet nicht, inwiefern das Behandlungsziel bzw. seine Persönlichkeit durch den gleichzeitigen Vollzug von Strafe und Massnahme beeinträchtigt werden könnten.
7. 7.1 Der Beschwerdeführer stellt eine immaterielle Unbill und damit einen Anspruch auf Genugtuung der Beschwerdegegnerin 2 in Abrede, da sie mit ihm auch nach den inkriminierten Tathandlungen eine Beziehung habe führen wollen. Sie habe ihn bei sich wohnen lassen, ihm Weihnachtskarten geschrieben und sich für seine Freundschaft bedankt (Beschwerde, S. 55 f.).
7.2 Gemäss Vorinstanz liegt die erstinstanzlich zugesprochene Genugtuungssumme von Fr. 10'000.-- an der unteren Grenze der Beträge, die bei Vergewaltigungen und schweren sexuellen Nötigungen üblicherweise zugesprochen werden. Sie erachtet die Genugtuung jedoch als angemessen, da die Betroffenheit der Beschwerdegegnerin 2 aus den vom Beschwerdeführer angeführten Gründen nicht derart hoch sei, wie von ihr behauptet. Dies ist nicht zu beanstanden (Urteil, S. 37 ff.).
8. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Bei diesem Verfahrensausgang sind die bundesgerichtlichen Kosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Sein Gesuch um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos erschien. Seiner finanziellen Lage ist mit herabgesetzten Gerichtskosten Rechnung zu tragen (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, dem Migrationsamt des Kantons Zürich und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 6. Februar 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Keller