Faits:
A. A.a X._, ressortissant portugais né le *** 1955, a été victime d'un accident professionnel le 6 mars 2002. Il a subi une incapacité de travail variable depuis le jour de l'accident et totale depuis le 11 juillet 2003 (cf. arrêt 9C_478/2010 du 25 mars 2011). X._ s'est annoncé à l'Office cantonal genevois de l'assurance-invalidité (ci-après l'Office AI) en octobre 2003. Il a perçu des prestations de l'assistance publique du 1er décembre 2004 au 28 février 2005, puis du 1er septembre 2005 au 31 octobre 2006. Par décision du 24 mars 2006, l'Office AI a refusé l'octroi d'une mesure de reclassement dans une nouvelle profession et a, par décision du 27 mars 2006, rejeté la demande de X._ de rente d'invalidité. X._ s'est inscrit au chômage le 21 mars 2006. Il a bénéficié de mesures de placement dans le cadre de mesures cantonales depuis 2007 et jusqu'au 22 septembre 2008. Il est à l'assistance publique depuis le 1er mars 2009. Une nouvelle requête de prestations de l'assurance-invalidité a été formulée par X._ le 9 février 2009, qui est actuellement pendante auprès de la Chambre des assurances sociales de la Cour de justice du canton de Genève (cf. arrêt du Tribunal fédéral 9C_478/2010 du 25 mars 2011).
A.b X._ a travaillé illégalement en Suisse depuis le mois de décembre 2000. Il a été mis au bénéfice d'un permis saisonnier de septembre 2001 à décembre 2002, puis a obtenu une autorisation de séjour de courte durée (permis L), avec activité lucrative, du 1er mars 2003 au 25 février 2004.
Par courrier du 24 février 2004, X._ a sollicité de l'Office cantonal de la population (ci-après: l'Office cantonal) le renouvellement de son permis de séjour en indiquant être incapable de travailler pour cause de longue maladie, à la suite de l'accident de travail dont il a été victime le 6 mars 2002. Le 22 juin 2004, l'Office cantonal lui a délivré une autorisation de courte durée (permis L) pour traitement médical, jusqu'au 23 février 2005. Cette autorisation a été renouvelée le 9 août 2005, jusqu'au 22 février 2006.
Le 12 septembre 2006, l'Office cantonal a délivré à X._ une autorisation de séjour (permis B) pour traitement médical valable jusqu'au 7 mai 2007, puis le 13 décembre 2007, une autorisation de séjour de courte durée (permis L) avec prise d'emploi, en raison de son placement dans le cadre de mesures cantonales. Cette autorisation a été prolongée le 14 mai 2008 jusqu'au 22 septembre 2008, date de la cessation de son activité lucrative, puis renouvelée aux fins de recherche d'emploi le 15 décembre 2008 jusqu'au 8 décembre 2009.
Par décision du 1er février 2010, l'Office cantonal a refusé de prolonger l'autorisation de séjour de X._, au motif qu'il ne remplissait pas les conditions pour séjourner en Suisse, car ses moyens financiers étaient insuffisants et qu'il émargeait à l'aide sociale depuis le 1er mars 2009.
B. Par acte du 23 février 2010, X._ a formé recours contre la décision du 1er février 2010 auprès de la commission cantonale de recours en matière administrative, devenue le 1er janvier 2011 le Tribunal administratif de première instance. Ce recours a été rejeté par décision du 11 octobre 2011.
X._ a recouru contre la décision précitée auprès de la chambre administrative de la Cour de justice du canton de Genève (ci-après: la Cour cantonale) par acte du 4 novembre 2011. Celle-ci a rejeté ce recours par arrêt du 30 juillet 2012, au motif que X._ ne pouvait déduire ni de l'Accord du 21 juin 1999 entre la Confédération suisse, d'une part, et la Communauté européenne et ses Etats membres, d'autre part, sur la libre circulation des personnes (ci-après: ALCP; RS 0.142.112.681), ni d'aucune autre disposition, de droit à une autorisation de séjour en Suisse, faute de se trouver dans un cas de libre circulation.
C. Par acte du 14 septembre 2012, X._ forme, par l'intermédiaire du Syndicat des travailleurs et travailleuses (SIT), un recours en matière de droit public au Tribunal fédéral. Il conclut, sous suite de frais et dépens, à l'annulation de la décision du 30 juillet 2012 et à l'octroi d'un droit de séjour sur sol helvétique, invoquant la violation de l'ALCP. II sollicite en outre l'octroi de l'effet suspensif à son recours.
Invités à se prononcer, la Cour cantonale et l'Office cantonal de la population ont fait savoir qu'ils n'avaient pas d'observations à formuler. L'Office fédéral des migrations s'est prononcé hors délai.
Par ordonnance présidentielle du 20 septembre 2012, l'effet suspensif a été accordé au recours.
Par courrier du 5 octobre 2012, X._ a demandé à être mis au bénéfice de l'assistance judiciaire.
Considérant en droit:
1. Le Tribunal fédéral examine d'office et librement la recevabilité des recours qui lui sont soumis (art. 29 al. 1 LTF; cf. ATF 136 II 470 consid. 1 p. 472 et les arrêts cités).
1.1 D'après l'art. 83 let. c ch. 2 LTF, le recours en matière de droit public est irrecevable contre les décisions dans le domaine du droit des étrangers qui concernent une autorisation à laquelle ni le droit fédéral ni le droit international ne donnent droit. D'après la jurisprudence, il suffit qu'il existe un droit potentiel à l'autorisation, étayé par une motivation soutenable, pour que cette clause d'exclusion ne s'applique pas et que, partant, la voie du recours en matière de droit public soit ouverte (ATF 136 II 177 consid. 1.1 p. 179).
1.2 Depuis l'entrée en vigueur, le 1er juin 2002, de l'ALCP, le recourant peut en principe, du seul fait de sa nationalité portugaise, en déduire un droit à une autorisation de séjour en Suisse, notamment pour y séjourner et accéder à la vie économique sous réserve des dispositions de l'art. 10 ALCP et conformément aux dispositions de l'Annexe I ALCP (art. 1 let. a et 4 ALCP). En effet, le champ d'application personnel et temporel de l'ALCP ne dépend pas du moment auquel un ressortissant communautaire est arrivé en Suisse, mais seulement de l'existence d'un droit de séjour garanti par l'accord au moment déterminant, soit lorsque le droit litigieux - tel qu'en l'espèce le droit à l'octroi d'une autorisation de séjour - est exercé (cf. ATF 134 II 10 consid. 2 p. 13).
Le motif d'irrecevabilité prévu à l'art. 83 let. c ch. 2 LTF n'est donc pas opposable au recourant, sans toutefois que cela ne préjuge de l'existence effective du droit litigieux à une autorisation de séjour, ce point étant examiné avec le fond de la cause (cf. ATF 131 II 339 consid. 1.2 p. 343 et les références citées).
1.3 Pour le surplus, l'arrêt attaqué est une décision finale (art. 90 LTF), rendue en dernière instance cantonale par un tribunal supérieur (art. 86 al. 1 let. d et al. 2 LTF). Déposé en temps utile (art. 100 al. 1 LTF) et dans les formes requises (art. 42 LTF) par le destinataire de l'arrêt attaqué qui a qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF, le recours en matière de droit public est par conséquent recevable.
2. Saisi d'un recours en matière de droit public, le Tribunal fédéral examine librement la violation du droit fédéral et du droit international (cf. art. 95 let. a et 106 al. 1 LTF), sous réserve des exigences de motivation figurant à l'art. 106 al. 2 LTF. Aux termes de cet alinéa, le Tribunal fédéral n'examine la violation de droits fondamentaux que si ce grief a été invoqué et motivé par le recourant. En ces matières, l'acte de recours doit, sous peine d'irrecevabilité, contenir un exposé succinct des droits ou principes constitutionnels enfreints et préciser en quoi consiste la violation (ATF 136 II 304 consid. 2.5 p. 314; 133 II 249 consid. 1.4.2 p. 254). En outre, le Tribunal fédéral se fonde sur les faits constatés par l'autorité précédente (cf. art. 105 al. 1 LTF), à moins que ceux-ci n'aient été établis de façon manifestement inexacte - notion qui correspond à celle d'arbitraire (ATF 134 V 53 consid. 4.3 p. 62) - ou en violation du droit au sens de l'art. 95 LTF (cf. art. 105 al. 2 LTF). Si le recourant entend s'écarter des constatations de fait de l'autorité précédente (cf. art. 97 al. 1 LTF), il doit expliquer de manière circonstanciée en quoi les conditions d'une exception prévue par l'art. 105 al. 2 LTF seraient réalisées. Sinon, il n'est pas possible de tenir compte d'un état de fait divergeant de celui qui est contenu dans l'acte attaqué.
3. Le recourant soutient qu'ayant séjourné plus de deux ans en Suisse de manière légale, et vu son incapacité de travail, le refus de la Cour cantonale de lui accorder un droit de séjour en Suisse viole l'art. 4 al. 1 de l'Annexe I ALCP.
3.1 Selon l'art. 4 al. 1 Annexe I ALCP, les ressortissants d'une partie contractante ont le droit de demeurer sur le territoire d'une autre partie contractante après la fin de leur activité économique. L'art. 4 al. 2 Annexe I ALCP renvoie, conformément à l'art. 16 de l'accord, au règlement (CEE) 1251/70 (ci-après: règlement 1251/70) et à la directive 75/34/CEE, "tels qu'en vigueur à la date de la signature de l'accord".
L'art. 2 par. 1 let. b du règlement 1251/70 prévoit qu'a le droit de demeurer sur le territoire d'un État membre le travailleur qui, résidant d'une façon continue sur le territoire de cet État depuis plus de deux ans, cesse d'y occuper un emploi salarié à la suite d'une incapacité permanente de travail. Ce n'est que si l'incapacité résulte d'un accident du travail ouvrant droit à une rente entièrement ou partiellement à charge d'une institution de cet État, qu'aucune condition de durée de résidence n'est requise, soit que le délai de carence est levé (Marc Spescha in Migrationsrecht, 3e éd., 2012, n° 4 ad art. 4 Annexe I ALCP). L'art. 4 par. 2 de ce même règlement précise que les périodes de chômage involontaire, dûment constatées par le bureau de main-d'oeuvre compétent, et les absences pour cause de maladie ou accident sont considérées comme des périodes d'emploi au sens de l'art. 2 par. 1.
Hormis l'art. 4 Annexe I ALCP fondant un droit de demeurer en Suisse, une personne n'exerçant pas d'activité économique peut invoquer l'art. 24 Annexe I ALCP. Mais elle doit dans ce cas prouver qu'elle dispose des moyens financiers suffisants pour ne pas devoir faire appel à l'aide sociale pendant son séjour, soit disposer d'un montant supérieur à celui permettant aux nationaux de prétendre aux prestations d'assistance (art. 24 al. 1 et 2 Annexe I ALCP).
3.2 Le recourant, qui n'exerce pas d'activité économique, ne prétend pas pouvoir se passer de l'aide sociale. Se pose la question d'un droit fondé sur une invalidité permanente.
Il apparaît que le recourant a subi une première période d'incapacité de travail, variable depuis le jour de l'accident professionnel, puis totale depuis juillet 2003 (arrêt 9C_478/2010 du 25 mars 2011). Cette incapacité n'a cependant pas été permanente, puisque le recourant s'est inscrit au chômage le 21 mars 2006, et a perçu des prestations à ce titre en 2007, à la suite d'un refus de l'Office AI d'une mesure de reclassement dans une nouvelle profession compte tenu d'un degré d'invalidité insuffisant de 4,8% et du rejet de sa demande de rente d'invalidité pour le même motif. Il a ensuite bénéficié de mesures de placement et a occupé une activité lucrative entre 2007 et septembre 2008, puis a de nouveau perçu des prestations chômage en octobre 2008. Il faut donc considérer à tout le moins qu'il a été en emploi entre mars 2006 et octobre 2008, au sens de l'art. 4 par. 2 du règlement 1251/70.
Le recourant allègue une péjoration de son état de santé et a formulé un nouvelle demande de prestations AI le 9 février 2009. En l'état, sa requête n'a fait l'objet d'aucune décision définitive. L'instance précédente n'a pas constaté d'incapacité permanente de travail postérieure à 2008.
Il résulte de ce qui précède que l'incapacité permanente de travail n'est à ce jour pas établie, et que par conséquent, l'art. 2 par. 1 let. b du règlement 1251/70 n'est pas applicable. Par conséquent, il ne peut déduire aucun droit de l'art. 4 al. 1 Annexe I ALCP.
Au demeurant, pour subir des examens médicaux ou se présenter à des audiences durant la procédure AI en cours, point n'est besoin de rester en Suisse: le recourant peut effectuer des séjours touristiques et se faire représenter par un mandataire (cf. arrêt 2C_138/2007 du 17 août 2007 consid. 4 et les réf. citées).
4. Les considérants qui précèdent conduisent au rejet du recours. Celui-ci étant d'emblée dénué de chances de succès, le recourant ne peut être mis au bénéfice de l'assistance judiciaire (cf. art. 64 LTF).
Succombant, le recourant doit supporter les frais de la procédure fédérale (art. 66 al. 1 LTF), qui seront fixés compte tenu de sa situation patrimoniale. Le recourant n'a en outre pas droit à des dépens (art. 68 al. 2 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. La requête d'assistance judiciaire est rejetée.
3. Un émolument judiciaire de 1'500 fr. est mis à la charge du recourant.
4. Le présent arrêt est communiqué au mandataire du recourant, à l'Office cantonal de la population et à la Chambre administrative de la Cour de justice de la République et canton de Genève, ainsi qu'à l'Office fédéral des migrations.
Lausanne, le 13 mai 2013
Au nom de la IIe Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Zünd
La Greffière: Cavaleri Rudaz