Sachverhalt:
A. Der Anklageschrift der Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat vom 29. Oktober 2008 liegen folgende Vorwürfe zugrunde:
X._ versetzte Y._ am 14. Mai 2006 um ca. 5.15 Uhr bei der Hard-/Schiffbaustrasse in Zürich unvermittelt und ohne ein Wort zu sagen einen heftigen Faustschlag mitten ins Gesicht, so dass dieser richtiggehend mit den Füssen vom Boden abhob und rückwärts ungebremst mit dem Kopf auf dem Asphaltboden aufschlug. Durch den Schlag und den darauffolgenden Aufprall auf dem Boden erlitt Y._ eine schwere traumatische Hirnverletzung, die eine unmittelbare Lebensgefahr zur Folge hatte. Aufgrund der gravierenden Verletzungen war er bis am 6. Juni 2006 im Universitätsspital in stationärer Behandlung und danach bis am 11. April 2007 in einer Rehaklinik. Da er knapp ein Jahr nach dem inkriminierten Vorfall nach wie vor an schweren kognitiven und motorischen Beeinträchtigungen litt und in den Alltagsaktivitäten sowie in der Körperpflege und Nahrungsaufnahme auf die Hilfe von Drittpersonen angewiesen war, wurde er in der Folge in ein Pflegezentrum verlegt. An eine Wiederaufnahme einer ökonomisch verwertbaren beruflichen Tätigkeit ist gemäss ärztlicher Einschätzung nicht mehr zu denken.
Am Morgen des 19. Januar 2007 schlug X._ A._ auf einem Parkplatz in Gossau mit der Faust ins Gesicht, woraufhin dieser bewusstlos zu Boden fiel. A._ erlitt Verletzungen in der linken Gesichtshälfte. Der Schlag war derart heftig, dass sich X._ dadurch zwei Mittelhandknochen brach.
Am 21. Februar 2006 wurde anlässlich einer Personenkontrolle in der rechten Jackentasche von X._ ein Aluminiumschlagring gefunden, den dieser ungefähr seit März 2005 mit sich trug.
B. Das Bezirksgericht Zürich sprach X._ am 12. März 2009 der mehrfachen Körperverletzung im Sinne von <ref-law> zum Nachteil von Y._ und A._, der fahrlässigen schweren Körperverletzung im Sinne von Art. 125 Abs. 1 und 2 StGB zum Nachteil von Y._ sowie der mehrfachen Widerhandlung gegen das Waffengesetz im Sinne von Art. 33 Abs. 1 lit. a und Abs. 2 i.V.m. <ref-law> schuldig. Es widerrief die mit Urteil des Militärgerichts 6 vom 6. Dezember 2005 ausgefällte bedingte Gefängnisstrafe von 20 Tagen und verurteilte X._ unter Einbezug der widerrufenen Strafe zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren als Gesamtstrafe sowie zu einer Busse von Fr. 300.--. Den Vollzug der Freiheitsstrafe schob es im Umfang von 18 Monaten auf. Für die Dauer der Probezeit von drei Jahren erteilte es ihm die Weisung, sich einer gewaltvermeidenden deliktsorientierten Therapie zu unterziehen.
C. Gegen das Urteil des Bezirksgerichts vom 12. März 2009 meldeten die Staatsanwaltschaft, Y._ und X._ Berufung an. Die Berufungen der Staatsanwaltschaft und von X._ richteten sich gegen den Strafpunkt, während Y._ einen Schuldspruch wegen (eventual-)vorsätzlicher schwerer Körperverletzung beantragte. Die I. Strafkammer des Obergerichts des Kantons Zürich trat mit Beschluss vom 25. März 2010 bezüglich der angefochtenen Straftat zum Nachteil von Y._ auf die Anklage nicht ein und überwies die Akten der Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat mit dem Ersuchen, die Anklageschrift um den Vorwurf der (eventual-)vorsätzlichen schweren Körperverletzung zum Nachteil von Y._ zu ergänzen und bei der zuständigen Instanz einzureichen. Auf die Beschwerde in Strafsachen von X._ gegen den Beschluss vom 25. März 2010 trat das Bundesgericht mit Urteil 1B_159/2010 vom 25. Mai 2010 nicht ein.
D. Am 23. September 2010 erhob die Staatsanwaltschaft Zürich-Limmat erneut Anklage gegen X._. Das Bezirksgericht Zürich nahm am 4. Juli 2011 von der Rechtskraft der Schuldsprüche wegen einfacher Körperverletzung zum Nachteil von A._ und mehrfacher Widerhandlung gegen das Waffengesetz sowie der Busse von Fr. 300.-- Vormerk. Es erklärte X._ wiederum wegen einfacher und fahrlässiger schwerer Körperverletzung zum Nachteil von Y._ schuldig und bestätigte im Strafpunkt sein Urteil vom 12. März 2009.
E. Auf Berufung der Staatsanwaltschaft und von Y._ hin sprach die II. Strafkammer des Obergerichts des Kantons Zürich X._ am 6. März 2012 der eventualvorsätzlichen schweren Körperverletzung schuldig und bestrafte ihn unter Einbezug des Schuldspruchs wegen einfacher Körperverletzung zum Nachteil von A._ mit vier Jahren Freiheitsentzug. Es ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante therapeutische Massnahme an. Die Anschlussberufung von X._ im Strafpunkt wies es ab.
F. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das Urteil des Obergerichts vom 6. März 2012 und den Beschluss des Obergerichts vom 25. März 2010 aufzuheben, das Urteil des Bezirksgerichts vom 12. März 2009 im Schuldpunkt zu bestätigen, eine Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren auszusprechen und die Strafe zugunsten einer ambulanten Massnahme ganz aufzuschieben. Eventualiter sei er zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 18 Monaten, subeventualiter zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten zu verurteilen. In allen Fällen sei die unbedingt zu vollziehende Strafe nicht höher als 6 Monate anzusetzen. Subsubeventualiter sei die Sache zur Festsetzung der Strafe an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, eine Rückweisung zur Anklageergänzung gemäss § 182 Abs. 3 der Strafprozessordnung des Kantons Zürich vom 4. Mai 1919 (StPO/ZH) sei nur zulässig, wenn ein strafbares Verhalten bewiesen sei. Die blosse Möglichkeit, dass ein anderer Tatbestand erfüllt sein könnte, genüge nicht. Der Rückweisungsbeschluss vom 25. März 2010 verletze das Anklage- resp. Immutabilitätsprinzip gemäss <ref-law> und Art. 6 Ziff. 3 lit. a EMRK sowie die in der Verfassung verankerte Gewaltenteilung, da die Voraussetzungen von <ref-law>/ZH mangels Beweis einer eventualvorsätzlichen schweren Körperverletzung im Zeitpunkt der Rückweisung nicht erfüllt gewesen seien.
1.2 Die Rückweisung zur Anklageergänzung erfolgte vor Inkrafttreten der Schweizerischen Strafprozessordnung (StPO; SR 312.0) am 1. Januar 2011. Deren Zulässigkeit beurteilt sich nach der im Zeitpunkt des Beschlusses des Obergerichts des Kantons Zürich anwendbaren StPO/ZH (vgl. <ref-law>). Das Bundesgericht überprüft die Anwendung kantonalen Gesetzesrechts - von hier nicht relevanten Ausnahmen abgesehen - nur auf Willkür (vgl. <ref-law>; <ref-ruling> E. 2). Für die Rüge der Willkür gelten erhöhte Begründungsanforderungen (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.4 mit Hinweisen).
1.3 Das Obergericht sah im angefochtenen Rückweisungsbeschluss eine eventualvorsätzliche schwere Körperverletzung für bewiesen an (Beschluss Fazit S. 28). Der Beschwerdeführer legt nicht dar, weshalb es - ausgehend davon - <ref-law>/ZH willkürlich angewandt haben soll. Eine Ergänzung bzw. Änderung der Anklage ist mit dem Akkusationsprinzip und dem sich daraus ergebenden Immutabilitätsprinzip (vgl. <ref-ruling> E. 6.3; <ref-ruling> E. 2a; je mit Hinweisen) nicht zwingend unvereinbar. Diese Möglichkeit ist im Übrigen auch in <ref-law> vorgesehen, wenn nach Auffassung des Gerichts der in der Anklageschrift umschriebene Sachverhalt einen andern Straftatbestand erfüllen könnte, die Anklageschrift aber den gesetzlichen Anforderungen nicht entspricht. Ebenso wenig begründet der Beschwerdeführer, weshalb die verfassungsmässig garantierte Gewaltenteilung (vgl. <ref-ruling> E. 2.2 mit Hinweisen) tangiert sein soll.
Auf die Beschwerde ist nicht einzutreten, soweit der Beschwerdeführer vorbringt, eine Anklageergänzung sei nicht zulässig gewesen.
2. Der Beschwerdeführer rügt, der Schuldspruch wegen eventualvorsätzlicher schwerer Körperverletzung zum Nachteil des Beschwerdegegners 2 basiere auf einer willkürlichen rechtlichen Würdigung.
2. Der Beschwerdeführer rügt, der Schuldspruch wegen eventualvorsätzlicher schwerer Körperverletzung zum Nachteil des Beschwerdegegners 2 basiere auf einer willkürlichen rechtlichen Würdigung.
2.1 2.1.1 Unbestritten ist, dass der Beschwerdeführer dem Beschwerdegegner 2 am 14. Mai 2006 einen Faustschlag versetzte und Letzterer die in der Anklage beschriebenen Verletzungen erlitt. Die Vorinstanz führt aus, das vom Zeugen B._ geschilderte und in der Anklageschrift wiedergegebene Abheben von mehreren Zentimetern vom Boden sei schwer vorstellbar. Auch in Berücksichtigung der Grössenverhältnisse sei aus physikalischen Gründen eher unwahrscheinlich, dass der Beschwerdegegner 2 aufgrund des Faustschlags den Boden verliess. Die Aussagen von B._, deren Glaubhaftigkeit nicht anzuzweifeln sei, zeugten jedoch von der Heftigkeit des Schlags. Es müsse sich um einen aussergewöhnlich wuchtigen Schlag gehandelt haben (Urteil S. 24 und 30). Der Beschwerdeführer habe um den reduzierten Zustand des Beschwerdegegners 2 und dessen eingeschränktes Reaktionsvermögen gewusst (Urteil S. 29 f.). Ihm sei zudem bewusst gewesen, dass der Faustschlag diesen völlig überraschend treffen würde. Der Beschwerdegegner 2 habe schlechterdings nicht damit rechnen können. Aufgrund der vorherigen, rein verbalen Auseinandersetzungen, in die er zudem nur am Rande involviert gewesen sei, habe es hierfür schlicht keine warnenden Anzeichen gegeben (Urteil S. 30). Hingegen geht die Vorinstanz zugunsten des Beschwerdeführers davon aus, dieser habe dem Beschwerdegegner 2 vor dem Faustschlag noch "hey!" gesagt (Urteil S. 21 und 24).
Die Vorinstanz erwägt, angesichts der Umstände habe der Beschwerdeführer damit rechnen müssen, dass der Faustschlag den Beschwerdegegner 2 "umhauen" und dieser allenfalls nicht in der Lage sein würde, den Sturz auf den asphaltierten Belag aufzufangen oder abzubremsen, sondern mit dem Kopf auf den Asphalt aufschlagen könnte (Urteil S. 30 f.). Dem Beschwerdeführer könne nicht zugutegehalten werden, er habe darauf vertraut, dass sich nicht die eingetretenen Verletzungen, sondern nur solche, die vom Tatbestand der einfachen Körperverletzung erfasst werden, einstellten, oder er habe derartige Folgen gar nicht bedacht (Urteil S. 31). Ihm sei im Tatzeitpunkt klar gewesen, dass der Faustschlag schwere Verletzungen verursachen könnte. Durch sein Vorgehen habe er die vom Beschwerdegegner 2 erlittenen Verletzungen so nahe vor sich gesehen, dass er sie gebilligt habe. Er habe den zwar nicht äusserst wahrscheinlichen, aber eben doch ohne Weiteres möglichen Eintritt solcher Verletzungen in Kauf genommen. Er habe mit Bezug auf die schweren Körperverletzungen somit eventualvorsätzlich gehandelt (Urteil S. 34 f.).
2.1.2 Der Beschwerdeführer bestreitet den Eventualvorsatz. Ihm sei das Risiko einer schweren Körperverletzung weder bekannt gewesen noch habe er eine solche in Kauf genommen. Die Vorinstanz praktiziere verpöntes Erfolgsstrafrecht, indem sie vom Ausmass des Erfolgs auf seine Intention schliesse. Um vom Wissen auf das Wollen zu schliessen, dürfe die blosse Möglichkeit des Eintritts des Erfolgs nicht genügen. Ansonsten müsste konsequenterweise bei einem (starken) Faustschlag ins Gesicht immer mindestens ein Schuldspruch wegen versuchter schwerer Körperverletzung erfolgen. Der Eintritt des tatbestandsmässigen Erfolgs sei im vorliegenden Fall auf den äusserst unglücklichen Verlauf der Geschehnisse zurückzuführen. Als gerichtsnotorisch gelten könne, dass eine einfache Körperverletzung statistisch gesehen die weitaus häufigere Folge eines einzelnen Faustschlags ins Gesicht sei. Die Wahrscheinlichkeit des Eintritts einer schweren Körperverletzung sei gering resp. die unglückliche Ausnahme. Zu berücksichtigen sei zudem, dass der Beschwerdegegner 2 die Verletzungen nicht durch den Faustschlag als solchen, sondern durch den äusserst unglücklichen Sturz und den damit verbundenen Aufschlag des Hinterkopfs auf dem Asphalt erlitten habe. Die Vorinstanz stelle willkürlich Mutmassungen auf. Fakt sei, dass es im (Profi-)Boxsport höchst selten zu schweren, lebensgefährlichen Verletzungen komme. Unergründlich sei, wie die Vorinstanz zur Auffassung gelange, er habe den Beschwerdegegner 2 wie in einem Action-Film mit einem einzigen gezielten Faustschlag ausschalten wollen. Es seien keine Anhaltspunkte ersichtlich, dass er diesen habe ausser Gefecht setzen wollen, schon gar nicht, um sich in seiner Gruppe "Respekt" zu verschaffen.
2.1.2 Der Beschwerdeführer bestreitet den Eventualvorsatz. Ihm sei das Risiko einer schweren Körperverletzung weder bekannt gewesen noch habe er eine solche in Kauf genommen. Die Vorinstanz praktiziere verpöntes Erfolgsstrafrecht, indem sie vom Ausmass des Erfolgs auf seine Intention schliesse. Um vom Wissen auf das Wollen zu schliessen, dürfe die blosse Möglichkeit des Eintritts des Erfolgs nicht genügen. Ansonsten müsste konsequenterweise bei einem (starken) Faustschlag ins Gesicht immer mindestens ein Schuldspruch wegen versuchter schwerer Körperverletzung erfolgen. Der Eintritt des tatbestandsmässigen Erfolgs sei im vorliegenden Fall auf den äusserst unglücklichen Verlauf der Geschehnisse zurückzuführen. Als gerichtsnotorisch gelten könne, dass eine einfache Körperverletzung statistisch gesehen die weitaus häufigere Folge eines einzelnen Faustschlags ins Gesicht sei. Die Wahrscheinlichkeit des Eintritts einer schweren Körperverletzung sei gering resp. die unglückliche Ausnahme. Zu berücksichtigen sei zudem, dass der Beschwerdegegner 2 die Verletzungen nicht durch den Faustschlag als solchen, sondern durch den äusserst unglücklichen Sturz und den damit verbundenen Aufschlag des Hinterkopfs auf dem Asphalt erlitten habe. Die Vorinstanz stelle willkürlich Mutmassungen auf. Fakt sei, dass es im (Profi-)Boxsport höchst selten zu schweren, lebensgefährlichen Verletzungen komme. Unergründlich sei, wie die Vorinstanz zur Auffassung gelange, er habe den Beschwerdegegner 2 wie in einem Action-Film mit einem einzigen gezielten Faustschlag ausschalten wollen. Es seien keine Anhaltspunkte ersichtlich, dass er diesen habe ausser Gefecht setzen wollen, schon gar nicht, um sich in seiner Gruppe "Respekt" zu verschaffen.
2.2 2.2.1 Dass die Körperverletzungen des Beschwerdegegners 2 objektiv schwer im Sinne von <ref-law> sind, steht nicht zur Diskussion. Nach <ref-law> strafbar ist auch die eventualvorsätzliche schwere Körperverletzung. Eventualvorsatz ist nach ständiger Rechtsprechung gegeben, wenn der Täter die Tatbestandsverwirklichung für möglich hält, aber dennoch handelt, weil er den Erfolg für den Fall seines Eintritts in Kauf nimmt, sich mit ihm abfindet, mag er ihm auch unerwünscht sein (<ref-ruling> E. 4.2.3 mit Hinweis; vgl. auch <ref-law>).
2.2.2 Ob der Täter die Tatbestandsverwirklichung in Kauf genommen hat, muss das Gericht - bei Fehlen eines Geständnisses der beschuldigten Person - aufgrund der Umstände entscheiden. Dazu gehören die Grösse des dem Täter bekannten Risikos der Tatbestandsverwirklichung, die Schwere der Sorgfaltspflichtverletzung, die Beweggründe des Täters und die Art der Tathandlung. Je grösser die Wahrscheinlichkeit der Tatbestandsverwirklichung ist und je schwerer die Sorgfaltspflichtverletzung wiegt, desto näher liegt die Schlussfolgerung, der Täter habe die Tatbestandsverwirklichung in Kauf genommen (<ref-ruling> E. 3.2.2 mit Hinweisen). Das Gericht darf vom Wissen des Täters auf den Willen schliessen, wenn sich diesem der Eintritt des Erfolgs als so wahrscheinlich aufdrängte, dass die Bereitschaft, ihn als Folge hinzunehmen, vernünftigerweise nur als Inkaufnahme des Erfolgs ausgelegt werden kann (<ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 5.3 mit Hinweisen). Eventualvorsatz kann auch vorliegen, wenn sich der Eintritt des tatbestandsmässigen Erfolgs statistisch gesehen nur relativ selten verwirklicht. Doch darf in diesem Fall nicht allein aus dem Wissen des Beschuldigten um die Möglichkeit des Erfolgseintritts auf dessen Inkaufnahme und damit auf Eventualvorsatz geschlossen werden. Vielmehr müssen weitere Umstände hinzukommen (<ref-ruling> E. 2.2 mit Hinweis).
2.2.3 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann vor Bundesgericht nur gerügt werden, wenn sie willkürlich (<ref-law>) ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.4.1). Dem vom Beschwerdeführer angerufenen Grundsatz in dubio pro reo kommt in seiner Funktion als Beweiswürdigungsregel im Verfahren vor dem Bundesgericht keine über das Willkürverbot von <ref-law> hinausgehende Bedeutung zu (<ref-ruling> E. 2a; <ref-ruling> E. 2a; je mit Hinweisen).
Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht (<ref-ruling> E. 2.4; <ref-ruling> E. 5.4; je mit Hinweisen). Die Rüge der Willkür muss präzise vorgebracht und begründet werden (<ref-law>). Auf eine rein appellatorische Kritik am angefochtenen Urteil tritt das Bundesgericht nicht ein (<ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 2.8; je mit Hinweisen).
2.2.4 Was der Täter wusste, wollte und in Kauf nahm, betrifft so genannte innere Tatsachen, welche vor Bundesgericht nur im Rahmen von <ref-law> gerügt werden können. Rechtsfrage ist hingegen, ob im Lichte der festgestellten Tatsachen der Schluss auf Eventualvorsatz begründet ist (<ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 2.3.2; je mit Hinweisen). Da sich Tat- und Rechtsfragen insoweit teilweise überschneiden, hat der Sachrichter die in diesem Zusammenhang relevanten Tatsachen möglichst erschöpfend darzustellen, damit erkennbar wird, aus welchen Umständen er auf Eventualvorsatz geschlossen hat. Das Bundesgericht kann in einem gewissen Ausmass die richtige Bewertung dieser Umstände im Hinblick auf den Rechtsbegriff des Eventualvorsatzes überprüfen (<ref-ruling> E. 4.1 mit Hinweisen).
2.3 Nicht einzutreten ist auf die Beschwerde, soweit sich der Beschwerdeführer gegen die vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen wendet und geltend macht, Ursache der Verletzungen sei einzig der Aufprall auf dem Boden gewesen (Beschwerde S. 15 und 17). Gleiches gilt für den Einwand, er sei sich des reduzierten Zustands des Beschwerdegegners 2 nicht bewusst gewesen, und er habe nicht realisiert, dass der Faustschlag diesen völlig unvorbereitet treffen würde (Beschwerde S. 17 f.). Der Beschwerdeführer begründet nicht, weshalb die gegenteiligen Feststellungen der Vorinstanz willkürlich sind, sondern beschränkt sich auf blosse Behauptungen. Dass er dem Beschwerdegegner 2 vor dem Faustschlag noch "hey!" zurief, vermag die vorinstanzliche Feststellung, der Schlag habe diesen unerwartet getroffen, nicht infrage zu stellen.
2.3 Nicht einzutreten ist auf die Beschwerde, soweit sich der Beschwerdeführer gegen die vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellungen wendet und geltend macht, Ursache der Verletzungen sei einzig der Aufprall auf dem Boden gewesen (Beschwerde S. 15 und 17). Gleiches gilt für den Einwand, er sei sich des reduzierten Zustands des Beschwerdegegners 2 nicht bewusst gewesen, und er habe nicht realisiert, dass der Faustschlag diesen völlig unvorbereitet treffen würde (Beschwerde S. 17 f.). Der Beschwerdeführer begründet nicht, weshalb die gegenteiligen Feststellungen der Vorinstanz willkürlich sind, sondern beschränkt sich auf blosse Behauptungen. Dass er dem Beschwerdegegner 2 vor dem Faustschlag noch "hey!" zurief, vermag die vorinstanzliche Feststellung, der Schlag habe diesen unerwartet getroffen, nicht infrage zu stellen.
2.4 2.4.1 Das Bundesgericht hatte auch in der jüngeren Rechtsprechung wiederholt Körperverletzungen im Zusammenhang mit Faustschlägen zu beurteilen. Im Urteil 6B_758/2010 vom 4. April 2011 (Heftiger Faustschlag in das Gesicht mit tödlichen Folgen) bejahte es eine (eventual-)vorsätzliche schwere Körperverletzung, wobei der Täter gleichzeitig wegen fahrlässiger Tötung verurteilt wurde. In anderen Fällen blieb es bei einem Schuldspruch wegen einfacher Körperverletzung (vgl. etwa <ref-ruling>; Urteile 6B_151/2011 vom 20. Juni 2011 E. 3; 6S.386/2003 vom 18. Mai 2004 E. 3).
2.4.2 Die bundesgerichtliche Rechtsprechung zeigt, dass die rechtliche Qualifikation von Körperverletzungen als Folge von Faustschlägen von den konkreten Tatumständen abhängt. Massgeblich sind insbesondere die Heftigkeit des Faustschlags und die Verfassung des Opfers. Bei dem von der Vorinstanz festgestellten, ausserordentlich wuchtigen Faustschlag und dem reduzierten Zustand des Beschwerdegegners 2 waren ein unkontrollierter Sturz desselben und ein Aufschlagen des Kopfs auf dem Asphalt keineswegs aussergewöhnlich. Entgegen dem Einwand des Beschwerdeführers sind die schweren Körperverletzungen nicht bloss Folge eines äusserst unglücklichen Tatverlaufs. Angesichts der konkreten Tatumstände durfte die Vorinstanz den Eintritt von schweren Körperverletzungen als "ohne Weiteres möglich" einstufen, womit sie von einem eher hohen Risiko ausgeht. Der vorinstanzliche Schluss, der Beschwerdeführer habe dieses Risiko eines unkontrollierten Sturzes und damit einhergehender schwerer Verletzungen erkannt, ist nicht willkürlich. Dieser bringt auch insofern nichts vor, was die Würdigung der Vorinstanz als offensichtlich unhaltbar erscheinen lassen könnte. Anders als der im Entscheid 6B_758/2010 vom 4. April 2011 beurteilte Täter hatte der Beschwerdeführer zwar keine Kampfsporterfahrung (vgl. Beschwerde Ziff. 3.7 S. 18). Das Wissen um die Möglichkeit von schweren Verletzungen war jedoch aufgrund seiner Lebenserfahrung zu bejahen. Im Übrigen ist der Vergleich mit dem Boxsport wenig stichhaltig, da sich bei einem Boxkampf in der Regel trainierte Partner gegenüberstehen, wobei die Schläge nicht unerwartet erfolgen. Schwere Körperverletzungen sollen zudem durch zahlreiche Schutzvorkehren nach Möglichkeit verhindert werden. Diese Situation ist mit der vorliegend zu beurteilenden nicht identisch. Der Beschwerdeführer kann daraus nichts zu seinen Gunsten ableiten.
Das Verhalten des Beschwerdeführers, der dem Opfer aus nichtigem Anlass einen heftigen Faustschlag ins Gesicht versetzte, ist als schwere Pflichtverletzung zu werten. Der Faustschlag war offensichtlich auf eine Verletzung des Opfers ausgerichtet. Der Beschwerdeführer war sich zudem bewusst, dass schwere Körperverletzungen ohne Weiteres möglich waren (vgl. oben). Bei dieser Ausgangslage kann der Nachweis des Eventualvorsatzes als erbracht gelten. Die Vorinstanz verfällt nicht in Willkür, wenn sie dem Beschwerdeführer vorwirft, er habe dem Beschwerdegegner 2 nicht nur einfache Körperverletzungen zufügen wollen, sondern er habe für den Fall des Eintritts auch lebensgefährliche Verletzungen oder eine bleibende Schädigung im Sinne von <ref-law> in Kauf genommen.
2.4.3 Auch die übrigen Einwände des Beschwerdeführers sind unbehelflich. Die in der Beschwerde erwähnten Vergleichsfälle (Beschwerde Ziff. 3.4.2 S. 15; Ziff. 3.5 S. 16) können angesichts der sehr unterschiedlichen Tatumstände nicht als Präjudiz herangezogen werden. Bei einfachen Körperverletzungen als Folge eines Faustschlags war oftmals bereits der Schlag von geringerer Heftigkeit, was gegen eine versuchte schwere Körperverletzung spricht. Darin liegt keine Abkehr vom Verschuldensprinzip.
2.4.4 Am Eventualvorsatz ändert nichts, dass die Beweggründe des Beschwerdeführers nicht restlos geklärt sind und die Vorinstanz lediglich Mutmassungen aufstellt, wenn sie ausführt, denkbar sei, dass der Beschwerdeführer sich durch einen erfolgreichen K.O.-Schlag Respekt verschaffen wollte. Der Beschwerdeführer bestreitet nicht, dass der Faustschlag von ausserordentlicher Heftigkeit war. Das exakte Motiv ist bei dieser Sachlage von untergeordneter Bedeutung, da die eventualvorsätzliche schwere Körperverletzung auch ohne Kenntnis der genauen Beweggründe als erstellt gelten muss. Darauf weist die Vorinstanz zutreffend hin (Urteil S. 31).
2.5 Der Schuldspruch wegen eventualvorsätzlicher schwerer Körperverletzung verletzt kein Bundesrecht.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung.
3.2 Das Sachgericht verfügt auf dem Gebiet der Strafzumessung über einen Ermessensspielraum. Das Bundesgericht greift auf Beschwerde in Strafsachen hin nur 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 bzw. durch Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat (<ref-ruling> E. 5.6; <ref-ruling> E. 5.3.1; <ref-ruling> E. 2.1).
3.3 Die Vorinstanz geht zu Recht von einer eventualvorsätzlichen schweren Körperverletzung zum Nachteil des Beschwerdegegners 2 aus (oben E. 2). Nicht einzutreten ist auf die Beschwerde, soweit der Beschwerdeführer der Strafzumessung seine eigene tatsächliche und rechtliche Würdigung zugrunde legt (vgl. etwa Beschwerde Ziff. 4.2 S. 20; Ziff. 4.4 S. 20 f.).
3.4 Der Beschwerdeführer beanstandet, die Freiheitsstrafe von vier Jahren sei unverhältnismässig hoch. Der Strafrahmen für eine fahrlässige Tötung gemäss <ref-law> betrage drei Jahre. Nicht plausibel sei, weshalb er für das ihm vorgeworfene Delikt schwerer bestraft werden solle.
Der Einwand ist unbegründet. Das Verschulden wiegt bei einer vorsätzlichen Tatbegehung schwerer. Der Tatbestand von <ref-law> gelangt bei einer fahrlässigen Tötung des Opfers in echter Konkurrenz zur vorsätzlichen Körperverletzung zur Anwendung (vgl. Urteil 6B_758/2010 vom 4. April 2011 E. 4).
3.5 Entgegen der Behauptung des Beschwerdeführers (Beschwerde Ziff. 4.6 S. 22) trägt die Vorinstanz der langen Verfahrensdauer mit einer deutlichen Strafminderung Rechnung (Urteil E. 3.5.2 S. 41; erstinstanzliches Urteil S. 43, auf welches die Vorinstanz verweist). Auch das fast umfassende Geständnis berücksichtigt sie strafmindernd. Positiv wertet sie zudem, dass der Beschwerdeführer sich bemüht hat, den Alkohol- und Cannabiskonsum einzustellen, und dass er der Weisung des Bezirksgerichts vor Eintritt der Rechtskraft nachgekommen ist (Urteil E. 3.3.3 S. 39; Beschwerde Ziff. 4.4 S. 21). Die Vorinstanz war nicht gehalten, in Zahlen oder Prozenten anzugeben, wie sie die dem Beschwerdeführer zugutegehaltenen Strafminderungsgründe gewichtet (vgl. <ref-ruling> E. 5.6 S. 61 mit Hinweis).
3.6 Die Vorinstanz setzt sich in ihren Erwägungen zur Strafzumessung mit den wesentlichen schuldrelevanten Komponenten auseinander und würdigt diese. Dass sie sich von rechtlich nicht massgeblichen Gesichtspunkten hätte leiten lassen oder wesentliche Aspekte nicht berücksichtigt hätte, ist nicht ersichtlich. Die Freiheitsstrafe von vier Jahren hält sich im Rahmen des sachrichterlichen Ermessens. Der vom Beschwerdeführer angerufene Entscheid des Bezirksgerichts Bülach ist mit den vorliegend zu beurteilenden Taten nicht vergleichbar (vgl. Beschwerde Ziff. 4.5 S. 21 f.).
3.7 Die Anträge auf Aufschub der Freiheitsstrafe zugunsten einer ambulanten Massnahme und auf Gewährung des (teil-)bedingten Vollzugs (Beschwerde Ziff. 4.7 S. 22 f.) stellt der Beschwerdeführer nur für den Fall, dass das Bundesgericht die Strafe auf höchstens 2 1⁄2 Jahre reduzieren sollte. Eine Behandlung dieser Rügen erübrigt sich, da es bei der Freiheitsstrafe von vier Jahren bleibt.
4. 4.1 Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
4.2 Die Beschwerde war aussichtslos. Die Vorinstanz verfügt auf dem Gebiet der Beweiswürdigung über einen Ermessensspielraum. Der Beschwerdeführer legte seinen Rügen in den entscheidrelevanten Punkten eigene Sachverhaltsfeststellungen zugrunde, ohne auch nur annähernd aufzuzeigen, weshalb die vorinstanzliche Würdigung willkürlich sein soll. Der Umstand, dass das Bezirksgericht eine (eventual-)vorsätzliche schwere Körperverletzung verneinte und auch der vorinstanzliche Entscheid nicht einstimmig erging (vgl. Beschwerde S. 23 f.), kann für die Beurteilung der Erfolgsaussichten vor Bundesgericht nicht ausschlaggebend sein. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG). Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen (<ref-law>).
4.3 Dem Beschwerdegegner 2 ist keine Entschädigung zuzusprechen, da ihm im bundesgerichtlichen Verfahren keine Umtriebe entstanden sind.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 12. November 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Unseld