Sachverhalt:
A. A.a Das Kreisgericht See-Gaster verurteilte X._ am 21. Dezember 2011 wegen vorsätzlicher Tötung zu einer Freiheitsstrafe von 16 Jahren. Es verpflichtete ihn, A.Y._ eine Genugtuung von Fr. 5'000.-- zu bezahlen.
A.b Das Kantonsgericht St. Gallen wies die Berufung von X._ und die Anschlussberufung der Staatsanwaltschaft am 24. Oktober 2012 ab.
Es hält für erwiesen, dass X._ am 15. Dezember 2010 zwischen 17 und 17.37 Uhr B.Y._ beim C.G. Jung Haus in Rapperswil-Jona mit einem "Engländer" mindestens 20 Schläge auf den Kopf versetzte, worauf dieser zwei Tage später an den Folgen der Verletzungen verstarb.
B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das Urteil des Kantonsgerichts aufzuheben, ihn vom Vorwurf der vorsätzlichen Tötung freizusprechen und umgehend aus der Sicherheitshaft zu entlassen. Die Zivilforderung sei abzuweisen, und es sei ihm für die zu Unrecht erstandene Untersuchungs- und Sicherheitshaft Schadenersatz sowie eine Genugtuung von mindestens Fr. 220'000.-- zuzusprechen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt eine willkürliche Beweiswürdigung und eine Verletzung des Grundsatzes in "dubio pro reo". Er sei mit dem Opfer verabredet gewesen, um die Häuser östlich des C.G. Jung Hauses zu besichtigen. Für die Besichtigung habe er das Auto vor dem Garagentor des C.G. Jung Hauses parkiert. Da er starken Harndrang verspürt habe, sei er beim Tatort kurz ausgestiegen und habe sich etwas abseits begeben. Als er wieder zum Fahrzeug zurückgekehrt sei, habe er gesehen, wie das Opfer von zwei dunkel gekleideten Männern angegriffen worden sei. Die Täter seien daraufhin geflüchtet (Beschwerde S. 4). Die Vorinstanz habe die Beweise einseitig zu seinen Ungunsten gewürdigt und eine Dritttäterschaft trotz Indizien nicht geprüft.
1.2 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig 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>; siehe Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 4.2). 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 mit Hinweisen). Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar oder gar zutreffender erscheint, genügt für die Annahme von Willkür nicht (<ref-ruling> E. 4.3; <ref-ruling> E. 2.4; je mit Hinweisen).
Die Rüge der Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und substanziiert begründet werden, andernfalls darauf nicht eingetreten wird (<ref-law>; <ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 1.3.1; je mit Hinweisen).
Die Rüge der Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und substanziiert begründet werden, andernfalls darauf nicht eingetreten wird (<ref-law>; <ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 1.3.1; je mit Hinweisen).
1.3 1.3.1 Unbestritten ist, dass der Beschwerdeführer um 17.37 Uhr bei der kantonalen Notrufzentrale (KNZ) einen Überfall meldete. Die KNZ versuchte daraufhin viermal erfolglos, ihn zu kontaktieren. Die Polizei traf um 18 Uhr am Tatort ein, fand den Beschwerdeführer und das Opfer vor, wobei Letzteres schwere Kopfverletzungen aufwies. Der Rettungsdienst war kurz nach der Polizei um 18.03 Uhr vor Ort. Der Beschwerdeführer wechselte vor dem Eintreffen der Polizei seine Schuhe und den Pullover. Im Fahrzeuginnern konnten Handschuhe sichergestellt werden, welche an der Innenseite seine DNA-Spuren aufwiesen und mit dem Blut des Opfers befleckt waren. Blutspritzer befanden sich zudem im Neuschnee hinter dem abgestellten Personenwagen, an der hinteren Stossstange sowie am linken hinteren Kotflügel des Wagens. Weitere Blutspuren wurden am Fahrzeughimmel im Auto, an der Lesebrille im Kofferraum und an den Wildlederschuhen sowie der Hose des Beschwerdeführers festgestellt. Die Tatwaffe war in ein Tuch eingewickelt und befand sich unter der Kofferraumabdeckung des Personenwagens (Urteil S. 4 f.).
1.3.2 Die Vorinstanz erwägt, die Angaben des Beschwerdeführers zum Tathergang seien widersprüchlich, unglaubwürdig und mit dem Spurenbild nicht vereinbar. Gemäss dem Bericht des kriminaltechnischen Dienstes seien spurenmässig keine Hinweise auf eine Tatbeteiligung einer Drittperson festzustellen. Die Bekleidung des Beschwerdeführers habe hingegen Blutspuren aufgewiesen, die sich gemäss Gutachten des Instituts für Rechtsmedizin dadurch erklären liessen, dass er sich nahe bei der blutenden Kopfverletzung aufgehalten haben muss und sich dabei "ausgehend von den Kopfwunden feine Blutspritzer an seiner Jeanshose auflagern konnten". Am Ort, an welchem gemäss seiner Darstellung der Kampf zwischen Täter und Opfer stattgefunden habe, hätten sich keinerlei Blutspuren befunden. Auch seine Angaben, er habe das blutende, bewusstlose Opfer zum Auto gezogen, stünden im Widerspruch zum Spurenbild. Es seien keine Schleifspuren im Schnee festgestellt worden (Urteil S. 6). Befragt zum Umstand, dass es hinter dem Fahrzeug Blutspritzer gehabt habe, habe er eine neue Version geliefert, die weder mit dem rechtsmedizinischen Gutachten noch den Spuren im Schnee vereinbar sei. Gegen den Beschwerdeführer spreche auch, dass er nach dem Tatgeschehen die Schuhe wechselte und den am Tatort vorbeikommenden Personen ruhig erklärte, es sei alles in Ordnung und die Polizei bzw. ein Krankenwagen sei unterwegs (Urteil S. 6 f.).
B.Y._ vertraute dem Beschwerdeführer in den Monaten vor der Tat insgesamt USD 130'000.-- für den Wertschriftenhandel an. Dieses Vermögen war bis zum Tattag auf USD 2'256.44 zusammengeschrumpft (Urteil S. 11). Die Vorinstanz lässt offen, ob das Motiv für die Tat darin bestand, einen unliebsamen Gläubiger zu beseitigen. Ein Aggressionsausbruch des Beschwerdeführers als Folge eines Streits mit dem Opfer über finanzielle Angelegenheiten sei naheliegend. Aufgrund der Akten verblieben jedoch nicht zu unterdrückende Zweifel, dass es sich auch anders hätte verhalten können (Urteil S. 13).
B.Y._ vertraute dem Beschwerdeführer in den Monaten vor der Tat insgesamt USD 130'000.-- für den Wertschriftenhandel an. Dieses Vermögen war bis zum Tattag auf USD 2'256.44 zusammengeschrumpft (Urteil S. 11). Die Vorinstanz lässt offen, ob das Motiv für die Tat darin bestand, einen unliebsamen Gläubiger zu beseitigen. Ein Aggressionsausbruch des Beschwerdeführers als Folge eines Streits mit dem Opfer über finanzielle Angelegenheiten sei naheliegend. Aufgrund der Akten verblieben jedoch nicht zu unterdrückende Zweifel, dass es sich auch anders hätte verhalten können (Urteil S. 13).
1.4 1.4.1 Anfechtungsobjekt vor Bundesgericht bildet der letztinstanzliche kantonale Entscheid (<ref-law>), d.h. das Urteil des Obergerichts. Nicht einzutreten ist auf den Einwand, die Staatsanwaltschaft und das erstinstanzliche Gericht gingen zu Unrecht davon aus, er habe die KNZ erst kontaktiert, nachdem die Zeugen D._ und E._ am Tatort vorbeigekommen waren (Beschwerde S. 4 f.).
1.4.2 Soweit der Beschwerdeführer der vorinstanzlichen Beweiswürdigung lediglich seine eigene Sicht der Dinge gegenüberstellt, erschöpfen sich seine Vorbringen in unzulässiger appellatorischer Kritik. Darauf ist nicht einzutreten. Dies ist der Fall, wenn er ausführt, er hätte die KNZ nicht angerufen, wenn er die Tat selbst begangen hätte. Gleiches gilt für den Einwand, er hätte die blutbefleckten Kleider und Schuhe nicht im Wagen hinterlassen, hätte er seine angeblichen Spuren verwischen wollen. Entgegen den Erwiderungen des Beschwerdeführers spricht auch nichts gegen die Glaubwürdigkeit des Zeugen D._.
1.4.3 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Blut- und Schleifspuren im Schnee hätten bei der Ankunft der Polizei wegen des grossen Schneefalles im Tatzeitpunkt gar nicht festgestellt werden können. Der Einwand ist unbehelflich. Die Vorinstanz legt hinlänglich und schlüssig dar, dass sich am Tatort eine Vielzahl von Blutspuren befanden, welche für die Täterschaft des Beschwerdeführers sprechen (Urteil S. 6). Blutspuren wurden u.a. im Neuschnee festgestellt. Die Vorinstanz durfte willkürfrei davon ausgehen, dass Blut- bzw. Schleifspuren an der vom Beschwerdeführer bezeichneten Stelle bei der Spurensicherung unmittelbar nach der Tat trotz des Schneefalles erkannt worden wären.
1.4.4 Insgesamt legt die Vorinstanz willkürfrei dar, weshalb sie Anhaltspunkte für eine Dritttäterschaft verneint und zur Überzeugung gelangt, der Beschwerdeführer habe dem Opfer die tödlichen Kopfverletzungen zugefügt. Der Beschwerdeführer beschränkt sich darauf, einzelne Indizien herauszugreifen, welche angeblich gegen seine Täterschaft sprechen, ohne sich jedoch mit der gesamten Beweislage auseinanderzusetzen. Er zeigt nicht auf, dass und inwiefern das Beweisergebnis der Vorinstanz im Ergebnis nicht vertretbar und damit willkürlich sein soll.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer beanstandet, die Vorinstanz habe zu Unrecht abgelehnt, F._, G._ und D._ zu befragen und die von ihm beantragten Akten (Daily Statements der H._ AG; Aufzeichnung seiner Telefongespräche; Kontoauszüge der I._) zu edieren.
2.1.1 Das Urteil des Kreisgerichts See-Gaster erging nach Inkrafttreten der Schweizerischen Strafprozessordnung (StPO; SR 312.0) am 1. Januar 2011. Das vorliegende Verfahren richtet sich damit nach neuem Recht (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.1).
Gemäss <ref-law> wird über Tatsachen, die unerheblich, offenkundig, der Strafbehörde bekannt oder bereits rechtsgenügend erwiesen sind, nicht Beweis geführt. Es liegt keine Verletzung des rechtlichen Gehörs (<ref-law>) vor, wenn ein Gericht auf die Abnahme beantragter Beweismittel verzichtet, weil es aufgrund der bereits abgenommenen Beweise seine Überzeugung gebildet hat und in vorweggenommener Beweiswürdigung annehmen kann, dass seine Überzeugung durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert würde (<ref-ruling> E. 5.3; <ref-ruling> E. 5.3).
2.1.2 Der Beschwerdeführer legt nicht dar, in welcher Hinsicht die Einvernahme von G._ für das Tatgeschehen relevant gewesen wäre. Der Beschwerdeschrift sind keinerlei Hinweise zu entnehmen, inwiefern sie ihn entlasten würde. Auf die Rüge, G._ sei nicht einvernommen worden, ist mangels Begründung nicht einzutreten (Art. 42 Abs. 2 und <ref-law>).
2.1.3 Im Übrigen setzt sich der Beschwerdeführer mit den vorinstanzlichen Ausführungen nicht auseinander und zeigt nicht auf, weshalb diese willkürlich sein sollen. Gemäss dem im Berufungsverfahren neu eingegangenen Bericht des kriminaltechnischen Dienstes wurden DNA-Spuren von F._ inwendig an den Ärmelausgängen der Jacke des Beschwerdeführers gefunden. Beide arbeiteten seit Jahren zusammen. Die Vorinstanz konnte willkürfrei annehmen, die Spuren seien nicht am Tatabend gesetzt worden, und F._ als Täter ausschliessen, da der Beschwerdeführer seinen langjährigen Kollegen als Angreifer wiedererkannt hätte (Urteil S. 7).
2.1.4 Es liegen keine Hinweise vor, dass die Aussagen von D._ unzutreffend sind. Dieser bestätigte an der Konfrontationseinvernahme seine früheren Angaben. Die Vorinstanz würdigt willkürfrei, dass eine erneute Befragung zu keinen neuen Erkenntnissen führen würde (Urteil S. 8). Eine Verletzung von Art. 343 Abs. 3 i.V.m. <ref-law> bzw. von <ref-law> macht der Beschwerdeführer zu Recht nicht geltend.
2.1.5 Schliesslich durfte die Vorinstanz auch auf den beantragten Aktenbeizug verzichten. Sie konnte Anzeichen für eine Involvierung der H._ AG ohne Willkür verneinen. Der Beschwerdeführer zeigt nicht ansatzweise auf, worin die geltend gemachte tiefere Verstrickung dieser Gesellschaft hätte bestehen können. Er listet lediglich auf, was die Vorinstanz noch hätte abklären müssen, ohne zu begründen, wozu diese Abklärungen geführt hätten. Die Vorinstanz sprach den Beschwerdeführer vom Vorwurf des Mordes frei. Soweit der Antrag auf Aktenbeizug mit dem Tatbestandsmerkmal der Skrupellosigkeit in Verbindung stand, konnte sie diesen mangels Relevanz abweisen (Urteil S. 13).
3. Den Antrag betreffend die Zivilforderung sowie das Schadenersatz- und Genugtuungsbegehren begründet der Beschwerdeführer nicht bzw. ausschliesslich mit dem ersuchten Freispruch. Da es beim Schuldspruch bleibt, ist darauf nicht einzutreten.
4. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist infolge Aussichtslosigkeit der Beschwerde abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG). Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen (<ref-law>).
Das Gesuch um Entlassung aus der Sicherheitshaft wird mit dem Entscheid in der Sache gegenstandslos.

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. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Kantonsgericht St. Gallen, Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 13. Mai 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Kratz-Ulmer