Sachverhalt:
A. A.a K._, geboren 1950, der über keine Berufsbildung verfügt, reiste 1975 in die Schweiz ein und war vom 9. September 1980 bis 31. März 2007 als Portier im Hotel S._ erwerbstätig (letzter effektiver Arbeitstag: 27. November 2005). Am 16. November 2006 meldete er sich unter Hinweis auf die Folgen eines Verkehrsunfalls (28. November 2005) bei der Invalidenversicherung zum Leistungsbezug an. Nachdem die von der IV-Stelle des Kantons Zürich beauftragte Klinik X._ am 20. August 2007 sowie die Klinik T._ am 28. Januar 2008 ihre Gutachten zu Gesundheitszustand und Arbeitsfähigkeit vorgelegt hatten, wies die IV-Stelle das Leistungsbegehren gestützt auf einen Invaliditätsgrad von 20% mit Verfügung vom 4. April 2008 ab.
A.b In Gutheissung der dagegen eingereichten Beschwerde hob das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 30. September 2009 die ergangene Verfügung auf und wies die Sache zu weiteren Abklärungen und neuer Entscheidung an die Verwaltung zurück. In der Folge gab die IV-Stelle ein Gutachten mit einer Evaluation der funktionellen Leistungsfähigkeit beim Spital B._ in Auftrag (Expertise vom 28. April / 5. August 2010). Gestützt auf das Ergebnis ermittelte sie einen Invaliditätsgrad von 20%, weshalb die Verfügung vom 20. Dezember 2010 erneut einen Leistungsanspruch des Versicherten verneinte.
B. Die hiegegen erhobene Beschwerde wies das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 18. September 2012 ab.
C. Der Versicherte lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen und unter Aufhebung der Verfügung vom 20. Dezember 2010 die Zusprechung einer ganzen Rente beantragen. Eventualiter sei die Sache zu ergänzenden Abklärungen an die Vorinstanz oder IV-Stelle zurückzuweisen. Ferner ersucht er um die Bewilligung der unentgeltlichen Rechtspflege.
Während die IV-Stelle auf Abweisung der Beschwerde schliesst, verzichtet das Bundesamt für Sozialversicherungen auf eine Vernehmlassung.

Erwägungen:
1. Mit der Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten kann unter anderem die Verletzung von Bundesrecht gerügt werden (<ref-law>). Eine Beanstandung des Sachverhalts ist nur möglich, wenn die Feststellung offensichtlich unrichtig erfolgte oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht sowie die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>). Die vorinstanzlichen, auf medizinischen Untersuchungen beruhenden Feststellungen zum Gesundheitszustand und zur Arbeitsfähigkeit der versicherten Person sind grundsätzlich Entscheidungen über eine Tatfrage (<ref-ruling> E. 3.2 S. 397 ff.), die das Bundesgericht seiner Urteilsfindung zugrunde zu legen hat (<ref-law>). Ebenfalls Tatfrage ist die konkrete Beweiswürdigung. Dagegen sind die Beachtung des Untersuchungsgrundsatzes und der Beweiswürdigungsregeln nach <ref-law> Rechtsfragen (<ref-ruling> E. 3.2 und 4 S. 397 ff.), die das Bundesgericht im Rahmen der den Parteien obliegenden Begründungs- bzw. Rügepflicht (Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; <ref-ruling> E. 1.4.1 und 1.4.2 S. 254) frei überprüfen kann, wendet doch das Bundesgericht das Recht von Amtes wegen an (<ref-law>). Soweit die Beurteilung der Zumutbarkeit von Arbeitsleistungen auf die allgemeine Lebenserfahrung gestützt wird, geht es ebenfalls um eine Rechtsfrage (<ref-ruling> E. 3.2 S. 397 ff.; Urteil 9C_133/2011 vom 29. April 2011 E. 1). Rechtsfrage ist ferner, nach welchen Gesichtspunkten die Entscheidung über die Verwertbarkeit der Restarbeitsfähigkeit erfolgt (Urteil 9C_190/2009 vom 11. Mai 2009 E. 3.3).
2. Das fortgeschrittene Alter wird, obgleich an sich ein invaliditätsfremder Faktor, in der Rechtsprechung als Kriterium anerkannt, welches zusammen mit weiteren persönlichen und beruflichen Gegebenheiten dazu führen kann, dass die einer versicherten Person verbliebene Resterwerbsfähigkeit auf dem ausgeglichenen Arbeitsmarkt realistischerweise nicht mehr nachgefragt wird, und dass ihr deren Verwertung auch gestützt auf die Selbsteingliederungspflicht nicht mehr zumutbar ist (<ref-ruling> E. 2c S. 21; Urteile I 401/01 vom 4. April 2002 E. 4b; I 831/05 vom 21. August 2006 E. 4.1.1 mit Hinweisen). Der Einfluss des Lebensalters auf die Möglichkeit, das verbliebene Leistungsvermögen auf dem ausgeglichenen Arbeitsmarkt zu verwerten, lässt sich nicht nach einer allgemeinen Regel bemessen, sondern hängt ab von den Umständen, die mit Blick auf die Anforderungen der Verweisungstätigkeiten massgebend sind (beispielsweise Art und Beschaffenheit des Gesundheitsschadens und seiner Folgen; absehbarer Umstellungs- und Einarbeitungsaufwand und in diesem Zusammenhang auch Persönlichkeitsstruktur, vorhandene Begabungen und Fertigkeiten, Ausbildung, beruflicher Werdegang oder Anwendbarkeit von Berufserfahrung aus dem angestammten Bereich (Urteile 9C_124/2010 vom 21. September 2010 E. 5.1; 9C_427/2010 vom 14. Juli 2010 E. 2.4.1; I 617/02 vom 10. März 2003 E. 3.2.3).
3. Zu prüfen bleibt die Rechtsfrage (E. 1 hievor; Urteil 8C_776/2008 vom 18. Juni 2009 E. 5.2), ob der Beschwerdeführer angesichts seines fortgeschrittenen Alters nach allgemeiner Lebenserfahrung in einem als ausgeglichen unterstellten Arbeitsmarkt (vgl. Art. 7 Abs. 1 und Art. 16 ATSG) noch als vermittelbar gelten und die ihm verbliebene Leistungsfähigkeit erwerblich verwerten kann.
3. Zu prüfen bleibt die Rechtsfrage (E. 1 hievor; Urteil 8C_776/2008 vom 18. Juni 2009 E. 5.2), ob der Beschwerdeführer angesichts seines fortgeschrittenen Alters nach allgemeiner Lebenserfahrung in einem als ausgeglichen unterstellten Arbeitsmarkt (vgl. Art. 7 Abs. 1 und Art. 16 ATSG) noch als vermittelbar gelten und die ihm verbliebene Leistungsfähigkeit erwerblich verwerten kann.
3.1 3.1.1 Das Sozialversicherungsgericht vertritt die Auffassung, dass die verbliebene Restarbeitsfähigkeit des Versicherten auch unter Berücksichtigung seines Alters sowie des ermittelten Tätigkeitsprofils auf dem ausgeglichenen Arbeitsmarkt noch nachgefragt werde. Für den Zeitpunkt, in dem die Frage zu beantworten sei, ob der Beschwerdeführer noch als vermittelbar gelte, stellt sie auf das Datum der ursprünglichen Verfügung ab (4. April 2008).
Dieses Vorgehen beanstandet der Beschwerdeführer unter Hinweis auf die bundesgerichtliche Rechtsprechung (Urteil 9C_149/2011 vom 25. Oktober 2012 = <ref-ruling>). Er macht geltend, massgeblicher Zeitpunkt sei dasjenige Datum, an welchem die medizinischen Unterlagen eine zuverlässige Sachverhaltsfeststellung erlaubten. Abzustellen sei daher auf das Gutachten des Spitals B._ vom 28. April 2010 / 5. August 2010.
3.1.2 Dem Beschwerdeführer ist insoweit beizupflichten, als das Bundesgericht in <ref-ruling> E. 3.3 S. 461 f. den Zeitpunkt, in welchem die Frage nach der Verwertbarkeit der (Rest-)Arbeitsfähigkeit bei vorgerücktem Alter beantwortet wird, verbindlich auf das Feststehen der medizinischen Zumutbarkeit einer (Teil-)Erwerbstätigkeit gelegt hat. Als ausgewiesen gilt die medizinische Zumutbarkeit einer (Teil-)Erwerbstätigkeit, sobald die medizinischen Unterlagen diesbezüglich eine zuverlässige Sachverhaltsfeststellung erlauben. Auch wenn die Klinik X._ sowie die Klinik T._ ihre Gutachten zum Gesundheitszustand und zur Arbeits- und Leistungsfähigkeit des Versicherten bereits am 20. August 2007 und 28. Januar 2008 erstellt hatten, können diese Daten schon deswegen nicht massgeblich sein, weil das kantonale Gericht in einem ersten Beschwerdeverfahren den Sachverhalt als ungenügend abgeklärt erachtet hatte. Erst das in Nachachtung des kantonalen Rückweisungsentscheids von der Verwaltung eingeholte Gutachten vom 28. April 2010 beim Spital B._ mit Prüfung der funktionellen Leistungsfähigkeit am 24./ 25. Juni 2010 (Bericht vom 5. August 2010) verschaffte Klarheit über die Arbeitsfähigkeit und bildete die - den Anforderungen an die Beweiskraft (<ref-ruling> E. 5.1 S. 232; <ref-ruling> E. 3a S. 352 mit Hinweis) genügende - medizinische Grundlage für den Rentenentscheid. Im konkreten Fall ist demnach für die Rentenberechtigung die Verwertbarkeit der (Rest-)Arbeitsfähigkeit zum Zeitpunkt der Begutachtung im Spital B._ entscheidend.
3.1.2 Dem Beschwerdeführer ist insoweit beizupflichten, als das Bundesgericht in <ref-ruling> E. 3.3 S. 461 f. den Zeitpunkt, in welchem die Frage nach der Verwertbarkeit der (Rest-)Arbeitsfähigkeit bei vorgerücktem Alter beantwortet wird, verbindlich auf das Feststehen der medizinischen Zumutbarkeit einer (Teil-)Erwerbstätigkeit gelegt hat. Als ausgewiesen gilt die medizinische Zumutbarkeit einer (Teil-)Erwerbstätigkeit, sobald die medizinischen Unterlagen diesbezüglich eine zuverlässige Sachverhaltsfeststellung erlauben. Auch wenn die Klinik X._ sowie die Klinik T._ ihre Gutachten zum Gesundheitszustand und zur Arbeits- und Leistungsfähigkeit des Versicherten bereits am 20. August 2007 und 28. Januar 2008 erstellt hatten, können diese Daten schon deswegen nicht massgeblich sein, weil das kantonale Gericht in einem ersten Beschwerdeverfahren den Sachverhalt als ungenügend abgeklärt erachtet hatte. Erst das in Nachachtung des kantonalen Rückweisungsentscheids von der Verwaltung eingeholte Gutachten vom 28. April 2010 beim Spital B._ mit Prüfung der funktionellen Leistungsfähigkeit am 24./ 25. Juni 2010 (Bericht vom 5. August 2010) verschaffte Klarheit über die Arbeitsfähigkeit und bildete die - den Anforderungen an die Beweiskraft (<ref-ruling> E. 5.1 S. 232; <ref-ruling> E. 3a S. 352 mit Hinweis) genügende - medizinische Grundlage für den Rentenentscheid. Im konkreten Fall ist demnach für die Rentenberechtigung die Verwertbarkeit der (Rest-)Arbeitsfähigkeit zum Zeitpunkt der Begutachtung im Spital B._ entscheidend.
3.2 3.2.1 Der am 7. Juni 1950 geborene Beschwerdeführer war in dem für die Beurteilung der Verwertbarkeit der Restarbeitsfähigkeit massgebenden Zeitpunkt der Erstattung des Gutachtens des Spitals B._ (28. April / 5. August 2010) 60 Jahre alt, was für sich allein die Verwertbarkeit noch nicht ausschliesst. In casu gilt es jedoch zu bedenken, dass der Versicherte über keine Berufsbildung verfügt und in seiner über 20 Jahre dauernden Tätigkeit als Hotelportier meist mittelschwere bis schwere Arbeiten ausgeführt hat. Feinmotorische Fähigkeiten konnte er sich hierbei nicht aneignen. Ein wesentlicher Teil der ihm zumutbaren, leichten Verweisungstätigkeiten, welche teils stehend, teils sitzend verrichtet werden können und kein Tragen von Gewichten über fünf Kilogramm oder Überkopfarbeiten erfordern, fallen ausser Betracht, weil der Versicherte gemäss Evaluation der Leistungsfähigkeit im Spital B._ schmerzbedingt nur eingeschränkt ziehen oder stossen und Verrichtungen mit den Händen vornehmen kann. Somit ist selbst bei leichten Montage-, industriellen Fertigungs- oder Abpackarbeiten mit einem unterdurchschnittlichen Arbeitstempo und vermehrtem Pausenbedarf zu rechnen. Die gehäuft auftretenden symptomatischen Hypoglykämien verhindern darüber hinaus Schichtdienste sowie das Führen von Fahrzeugen und Maschinen. Realistischerweise könnte der Beschwerdeführer am ehesten noch für Kontroll- oder Überwachungsarbeiten in der Industrie eingesetzt werden. Hiefür müsste er aber erneut einen Berufswechsel vollziehen und ein hohes Mass an Anpassungsfähigkeit aufbringen, was angesichts der während 25 Jahren verrichteten Arbeit als Portier im gleichen Hotel wenig wahrscheinlich erscheint.
3.2.2 Stellt man diese persönlichen und beruflichen Gegebenheiten den objektiven Anforderungen eines ausgeglichenen Arbeitsmarktes gegenüber, kommt man zum Schluss, dass der Beschwerdeführer mit überwiegender Wahrscheinlichkeit keinen Arbeitgeber mehr finden würde, der ihn für eine geeignete, leichte Verweisungstätigkeit einstellte. Namentlich der Umstand, dass er im massgebenden Zeitpunkt nur noch rund fünf Jahre vor seiner Pensionierung stand, würde einen durchschnittlichen Arbeitgeber davon abhalten, die mit seiner Beschäftigung verbundenen Risiken wie krankheitsbedingte Ausfälle, berufliche Unerfahrenheit und altersbedingt geringe Anpassungsfähigkeit einzugehen, zumal behindertengerechte Arbeitsplätze mit der Möglichkeit, teils stehend, teils sitzend zu arbeiten, von Behinderten in jungem und mittlerem Alter ebenfalls stark nachgefragt werden.
Eine Gesamtwürdigung der für die Zumutbarkeitsfrage im vorliegenden Fall massgebenden, objektiven und subjektiven Umstände ergibt somit, dass die dem Beschwerdeführer verbliebene Einsatzfähigkeit mit Einschränkungen auch bei leichten Tätigkeiten auf dem ausgeglichenen Arbeitsmarkt mit Blick auf sein fortgeschrittenes Alter realistischerweise nicht mehr nachgefragt wird und ihm deren Verwertung auch gestützt auf die Selbsteingliederungspflicht nicht mehr zugemutet werden kann. Ist aber seine Resterwerbsfähigkeit wirtschaftlich nicht mehr verwertbar, liegt eine vollständige Invalidität im Sinne von <ref-law> vor.
4. Zu prüfen bleibt der Beginn des Invalidenrentenanspruchs.
4.1 Nach Art. 28 Abs. 1 lit. b und c IVG (in der mit Blick auf das Datum der zweiten Ablehnungsverfügung vom 20. Dezember 2010 insoweit vorliegend anwendbaren, seit 1. Januar 2008 in Kraft stehenden Fassung) haben Versicherte, die während eines Jahres ohne wesentlichen Unterbruch durchschnittlich mindestens 40% arbeitsunfähig gewesen und nach Ablauf dieses Jahres zu mindestens 40% invalid sind, Anspruch auf eine Rente, sofern ihre Erwerbsfähigkeit nicht durch zumutbare Eingliederungsmassnahmen wieder hergestellt, erhalten oder verbessert werden kann.
4.2 Der Beschwerdeführer hatte sich schon am 16. November 2006 bei der IV zum Leistungsbezug angemeldet. Mit dieser Anmeldung wahrte er für die nachfolgende Zeit alle nach dem eintretenden Versicherungsverlauf in Betracht fallenden Leistungsansprüche, und zwar nach Massgabe der bis Ende 2007 in Kraft gestandenen Regelung über die Entstehung des Rentenanspruches (<ref-law> in der bis 31. Dezember 2007 gültig gewesenen Fassung).
Aufgrund der Aktenlage ist davon auszugehen, dass der Beschwerdeführer durch den am 28. November 2005 erlittenen Unfall im angestammten Beruf als Portier voll arbeitsunfähig wurde, womit die einjährige Wartezeit nach aArt. 29 Abs. 1 lit. b IVG zu laufen begann. Dass es in der Folge zu deren Unterbruch kam (<ref-law>), ist nach den verfügbaren medizinischen Berichten auszuschliessen. Der demzufolge frühestmöglichen Entstehung des Rentenanspruches am 1. November 2006 oder später steht indessen die vorinstanzlich nicht offensichtlich unrichtig festgestellte (E. 1) 100%ige Arbeitsfähigkeit in leichten, wechselbelastenden Tätigkeiten entgegen, welche in Anbetracht des unterdurchschnittlichen Einkommens aus der angestammten Tätigkeit und des deswegen validen- und invalidenseitig durchzuführenden statistischen Lohnvergleichs eine Erwerbsunfähigkeit von wenigstens 40% (Art. 28 Abs. 1 alVG bzw. <ref-law>) klar ausschloss (Prozentvergleich; <ref-ruling> E. 2b S. 137). Hingegen war diese restliche Arbeitsfähigkeit nach dem Gesagten (E. 3.2) ab Sommer 2010 erwerblich nicht mehr verwertbar. Da die Evaluation der funktionellen Leistungsfähigkeit, welche die Frage der Arbeitsfähigkeit definitiv klärte, am 24./25. Juni 2010 stattfand, ist der Versicherungsfall als in diesem Zeitpunkt erfolgt zu betrachten, was zum Beginn des Anspruches auf die ganze Invalidenrente ab 1. Juni 2010 führt (<ref-law>).
5. Die IV-Stelle hat als unterliegende Beschwerdegegnerin die Gerichtskosten zu tragen (<ref-law>) und dem Beschwerdeführer eine Parteientschädigung zu bezahlen (Art. 68 Abs. 1 und 2 BGG). Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist somit gegenstandslos.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird gutgeheissen. Der Entscheid des Sozialversicherungsgerichts des Kantons Zürich vom 18. September 2012 und die Verfügung der IV-Stelle des Kantons Zürich vom 20. Dezember 2010 werden aufgehoben. Der Beschwerdeführer hat ab 1. Juni 2010 Anspruch auf eine ganze Invalidenrente.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 800.- werden der IV-Stelle des Kantons Zürich auferlegt.
3. Die IV-Stelle des Kantons Zürich hat den Beschwerdeführer für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 2'800.- zu entschädigen.
4. Die Sache wird zur Neuverlegung der Kosten und der Parteientschädigung des vorangegangenen Verfahrens an das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich zurückgewiesen.
5. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich, und dem Bundesamt für Sozialversicherungen schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 10. Mai 2013
Im Namen der II. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Kernen
Der Gerichtsschreiber: Widmer