Sachverhalt:
A. Das Bezirksgericht Zürich verurteilte Y._ und Z._ am 26. Mai 2011 wegen einfacher Körperverletzung zum Nachteil von X._ zu bedingten Geldstrafen, stellte dem Grundsatz nach ihre solidarische Schadensersatzpflicht für dessen Körperverletzungsfolgen fest und verpflichtete sie unter solidarischer Haftung zur Zahlung einer Genugtuung von Fr. 2'000.-- und einer Entschädigung von Fr. 4'000.--.
B. Am 12. März 2012 sprach das Obergericht des Kantons Zürich Y._ und Z._ vom Vorwurf der Körperverletzung frei und verwies die von X._ geltend gemachten Schadensersatz- und Genugtuungsansprüche auf den Zivilweg.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das obergerichtliche Urteil sei aufzuheben und Y._ und Z._ seien wegen Körperverletzung zu verurteilen und angemessen zu bestrafen. Y._ und Z._ seien dem Grundsatz nach zu Schadensersatz und zur Zahlung einer angemessenen Genugtuung zu verpflichten. Eventualiter sei das obergerichtliche Urteil aufzuheben und zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
D. Am 2. Oktober 2012 wurde das Gesuch von Z._ um unentgeltliche Rechtspflege gutgeheissen und ihm Rechtsanwalt Stefan Flachsmann als Verteidiger bestellt. Das Obergericht und die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich verzichten auf eine Vernehmlassung. Y._ und Z._ beantragen die Abweisung der Beschwerde, soweit darauf einzutreten sei.

Erwägungen:
1. 1.1 Die Beschwerdegegner 1 und 2 bestreiten die Beschwerdelegitimation des Beschwerdeführers.
1.2 Zur Beschwerde in Strafsachen ist nach <ref-law> berechtigt, wer vor der Vorinstanz am Verfahren teilgenommen hat oder keine Möglichkeit zur Teilnahme erhalten hat (lit. a) und ein rechtlich geschütztes Interesse an der Aufhebung oder Änderung des angefochtenen Entscheids hat (lit. b). Die Privatklägerschaft hat ein rechtlich geschütztes Interesse, wenn der angefochtene Entscheid sich auf die Beurteilung ihrer Zivilansprüche auswirken kann (Art. 81 Abs. 1 lit. b Ziff. 5 BGG). Dies setzt im Falle eines Freispruchs grundsätzlich voraus, dass der Privatkläger - soweit zumutbar - seine Zivilansprüche aus strafbarer Handlung im Strafverfahren geltend gemacht hat (<ref-ruling> E. 1.3.1 S. 247 f. mit Hinweisen).
1.3 Der Beschwerdeführer hat im kantonalen Verfahren als Privatkläger teilgenommen und gegenüber den Beschwerdegegnern 1 und 2 Zivilansprüche wegen der vorliegend zu beurteilenden Körperverletzungshandlungen beantragt. Dies ist für die Bejahung der Legitimation nach Art. 81 Abs. 1 lit. b Ziff. 5 BGG hinreichend.
2. Der Beschwerdeführer rügt eine fehlerhafte Sachverhaltsfeststellung sowie eine willkürliche Würdigung des Untersuchungsergebnisses. Er macht eine Verletzung von Art. 9 und <ref-law> sowie <ref-law> (offensichtlich unrichtige Sachverhaltsfeststellung, unhaltbare antizipierte Beweiswürdigung, Verletzung des rechtlichen Gehörs, der Begründungspflicht und der Untersuchungsmaxime) geltend.
3. Die Vorinstanz hält für erwiesen, dass es am 22. Dezember 2006 an der Börsenstrasse 21 in Zürich zu einer auch körperlich ausgetragenen Auseinandersetzung zwischen dem Beschwerdeführer und den Beschwerdegegnern 1 und 2 gekommen ist. Umstritten sei hingegen, wer die Streitigkeit begonnen habe und zu welchen Körperverletzungshandlungen es im Einzelnen gekommen sei. In Anwendung des Grundsatzes in dubio pro reo sei von der Darstellung der Beschwerdegegner 1 und 2 auszugehen, sich mit mässiger Gewalt gegen einen Angriff des Beschwerdeführers gewehrt zu haben.
4. 4.1 Das Bundesgericht wendet das Recht von Amtes wegen an (<ref-law>), prüft die bei ihm angefochtenen Entscheide aber grundsätzlich nur auf Rechtsverletzungen, die in der Beschwerde gerügt werden (vgl. <ref-law>). Es legt seinem Urteil den Sachverhalt zu Grunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>). Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung 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 (Art. 97 Abs. 1, <ref-law>). Offensichtlich unrichtig im Sinne von <ref-law> ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 4.2 mit Hinweisen). Willkür in der Beweiswürdigung nach <ref-law> liegt vor, wenn die Behörde in ihrem Entscheid von Tatsachen ausgeht, die mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch stehen oder auf einem offenkundigen Fehler beruhen (<ref-ruling> E. 7.1; <ref-ruling> E. 4.2). Der Beschwerdeführer muss detailliert aufzeigen, inwiefern die gerügten Feststellungen bzw. die Unterlassung von Feststellungen offensichtlich unrichtig sind oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruhen (Art. 42 Abs. 2 und Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 137 IV E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 1.3.1). Andernfalls können Vorbringen mit Bezug auf einen Sachverhalt, der von den Feststellungen im angefochtenen Entscheid abweicht, nicht berücksichtigt werden (vgl. <ref-ruling> E. 1.4 S. 140). Vorbehalten bleiben offensichtliche Sachverhaltsmängel im Sinne von <ref-law>, die dem Richter geradezu in die Augen springen (<ref-ruling> E. 1.4.3 S. 254 f.). Das Bundesgericht hebt einen Entscheid nur auf, wenn sowohl die Begründung als auch das Ergebnis unhaltbar sind (<ref-ruling> E. 5.4 mit Hinweisen).
4.2 Aus dem Anspruch auf rechtliches Gehör (<ref-law>) ergibt sich u.a. das Recht der Betroffenen, vor Erlass eines Entscheids erhebliche Beweise beizubringen und mit erheblichen Beweisanträgen gehört zu werden, wenn dieses geeignet ist, den Entscheid zu beeinflussen. Dem Mitwirkungsrecht entspricht die Pflicht der Behörden, die Argumente und Verfahrensanträge der Parteien entgegenzunehmen und zu prüfen sowie die ihr rechtzeitig und formrichtig angebotenen Beweismittel abzunehmen (<ref-ruling> E. 2.1 S. 127; <ref-ruling> E. 3.2 S. 270; je mit Hinweisen). Das Gericht kann in vorweggenommener Beweiswürdigung auf die Abnahme von Beweisen verzichten, wenn es aufgrund bereits abgenommener Beweise seine Überzeugung gebildet hat und ohne Willkür annehmen kann, seine Überzeugung werde durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert (<ref-ruling> E. 5.3; <ref-ruling> E. 3). Der Anspruch auf rechtliches Gehör ist formeller Natur. Seine Verletzung führt ungeachtet der Erfolgsaussichten der Beschwerde in der Sache selbst zur Aufhebung des angefochtenen Entscheids (<ref-ruling> E. 2.2 mit Hinweis).
5. 5.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe im Rahmen der Sachverhaltsfeststellung mehrere ärztliche Unterlagen und Berichte, die seine Verletzungen belegten, nicht berücksichtigt und deren Unverwertbarkeit nicht hinreichend begründet. Hierdurch verletze sie seinen Anspruch auf rechtliches Gehör und verstosse gegen den Amtsermittlungsgrundsatz. Sie verfalle in Willkür, indem sie seinen Aussagen keinen Beweiswert im Hinblick auf den Anklagesachverhalt beimesse und ihm unterstelle, aus pekuniären Beweggründen Erinnerungslücken vorzutäuschen. Über innere Tatsachen könne sie als Aussenstehende keine Kenntnis haben. Dies gelte umso mehr, als die Schlussfolgerungen nicht mit dem Austrittsbericht des Stadtspitals Waid vom 31. Dezember 2006 in Einklang zu bringen seien.
5.2 Die Vorinstanz erwägt, der provisorische Austrittsbericht des Stadtspitals Waid dokumentiere die Hospitalisierung des Beschwerdeführers im Anschluss an die der Anklage zugrunde liegende Auseinandersetzung. Der Bericht stelle neben den Zeugenaussagen die primäre und beste Erkenntnisquelle für die Verletzungen des Beschwerdeführers dar, könne mangels Unterschrift aber nicht zu Lasten der Beschwerdegegner 1 und 2 verwertet werden, da er nicht die minimalen Anforderungen an eine mit dem Gutachten verwandte schriftliche Äusserung eines sachverständigen Zeugen aufweise. Die vom Beschwerdeführer anlässlich der erstinstanzlichen Hauptverhandlung eingereichten Unterlagen belegten weitere, von der Anklageschrift nicht beschriebene Verletzungen, die unter Beachtung des Anklageprinzips nicht berücksichtigt werden könnten. Dies gelte auch hinsichtlich des Schreibens von Dr. med. A._, da die Beschwerdegegner 1 und 2 sich hierzu nicht hätten äussern können. Eine Beweisergänzung von Amtes wegen erübrige sich, da diese am Ausgang des Verfahrens - selbst wenn der provisorische Austrittsbericht als zutreffend berücksichtigt würde - nichts ändere.
Hinsichtlich der Aussagen des Beschwerdeführers hält die Vorinstanz fest, dieser habe in keiner Befragung auch nur im Ansatz detailliert, lebensnah und nachvollziehbar geschildert, wie er von den Beschwerdegegnern 1 und 2 zusammengeschlagen worden sei. Seine Schilderungen des Tathergangs seien detailarm und allgemein gehalten. Er könne sich nicht mehr an alles erinnern, denke, vermute, glaube. Seine Einlassungen seien mit der Zeit immer inhaltsleerer geworden und ergäben hinsichtlich des Kerngeschehens (körperliche Auseinandersetzung) nichts. Die Aussagen hätten insoweit keinen relevanten Beweiswert und seien insbesondere nicht geeignet nachzuweisen, dass die Beschwerdegegner 1 und 2 ihn mit Füssen und Fäusten traktiert hätten, als er wehrlos am Boden gelegen habe. Die Nichtwahrnehmung könne sich jedoch nicht zu Lasten der Beschwerdegegner 1 und 2 auswirken. Zudem gäbe es Anhaltspunkte dafür, dass der Beschwerdeführer die Erinnerungslücken nur vortäusche. Er befürchte, sich mit einer genauen Schilderung der Ereignisse dem Vorwurf des Selbstverschuldens auszusetzen und sich so in finanzieller Hinsicht Nachteile einzuhandeln. Mit dem Hinweis auf seine Bewusstlosigkeit habe er sich gezielt einer Detailbefragung entzogen. Da er nicht aussagen wolle, bestehe die Möglichkeit, dass detailliertere Aussagen zum Ablauf der Auseinandersetzung die Beschwerdegegner 1 und 2 entlasten respektive die allgemeine Behauptung, diese hätten ihn spitalreif geschlagen, widerlegen würden und als Folge davon auch seine Aussagen über die Geschehnisse im Vorfeld in Frage gestellt werden müssten. Zwar könnten die Aussagen des Beschwerdeführers zutreffen, jedoch habe er mit seinem Aussageverhalten die Grundlage für Zweifel an seinen Aussagen gelegt, die mit sachlicher Begründung kaum zu überwinden seien.
5.3 Nicht zutreffend ist, dass die anlässlich der erstinstanzlichen Hauptverhandlung vom Beschwerdeführer eingereichten ärztlichen Berichte und Gutachten ausschliesslich weitergehende, in der Anklageschrift nicht aufgeführte Verletzungen behandeln. Sie thematisieren überwiegend die in der Anklageschrift bezeichneten (und auch im Austrittsbericht genannten) Verletzungen des Beschwerdeführers und geben darüber hinaus Auskunft über dessen Krankengeschichte, Heilungsprozess und Folgebehandlungen nach der Entlassung aus dem Stadtspital Waid. Soweit die Berichte auf die später bei einem Verkehrsunfall erlittenen Verletzungen Bezug nehmen, ist dies offensichtlich und nicht zu berücksichtigen. Warum die Verwertung der medizinischen Berichte gegen das Anklageprinzip verstossen soll, ist nicht ersichtlich, zumal den Beschwerdegegnern 1 und 2 der angeklagte Lebenssachverhalt bekannt ist. Ihnen war es ohne weiteres möglich, zum Schreiben von Dr. med. A._ (HD 59/2) Stellung zu nehmen, denn dieses wurde - wie alle anderen medizinischen Berichte auch - bereits anlässlich der erstinstanzlichen Hauptverhandlung zu den Akten genommen. Im Übrigen waren sie anwaltlich vertreten.
Als unzutreffend erweist sich zudem die Annahme, die Aussagen des Beschwerdeführers hätten bezüglich des Ablaufs und der Heftigkeit des tätlichen Angriffs keinen relevanten Beweiswert. Der Beschwerdeführer schildert den Ablauf der Ereignisse von der Entstehung bis zum Beginn der tätlichen Auseinandersetzung (welche die Vorinstanz als Kerngeschehen bezeichnet) konstant. Er sei von den Beschwerdegegnern 1 und 2 geschubst und geschlagen worden und zu Boden gegangen. Er habe starke Schmerzen gehabt und vermutlich das Bewusstsein verloren. Er glaube auch, getreten worden zu sein, als er am Boden gelegen habe. Dass er aufgrund von Schlägen und Schubsen zu Boden gegangen und anschliessend bewusstlos geworden sei, lässt Rückschlüsse auf die Heftigkeit der Auseinandersetzung zu. Die Aussagen sind demnach hinsichtlich des Kerngeschehens beweisrelevant. Ob sie auch glaubwürdig sind und welcher Beweiswert ihnen zukommt, ist damit noch nicht gesagt und wäre von der Vorinstanz in einem weiteren Schritt zu würdigen gewesen.
Indem die Vorinstanz die medizinischen Gutachten und Berichte sowie die Aussagen des Beschwerdeführers zum "Kerngeschehen" bei der Beweiswürdigung nicht berücksichtigt, verletzt sie dessen Anspruch auf rechtliches Gehör (<ref-law>). Die antizipierte Beweiswürdigung erweist sich als willkürlich, da nicht alle entscheiderheblichen Elemente berücksichtigt werden.
5.4 Die Rüge, die Vorinstanz verfalle in Willkür, da sie über innere Vorgänge einer Person keine Kenntnisse haben, sondern nur mutmassen könne, geht fehl. Was der Täter wusste, wollte und in Kauf nahm, betrifft sogenannte innere Tatsachen und ist eine Tatfrage (<ref-ruling> E. 4.2.3; <ref-ruling> E. 3c S. 252), die das erkennende Gericht zu beurteilen hat. Innere Tatsachen lassen sich häufig nur anhand äusserlich feststellbarer Indizien und aus Erfahrungsregeln herleiten, die Rückschlüsse von den äusseren Umständen auf die innere Einstellung erlauben.
Hingegen ist die Begründung der Vorinstanz, warum die Aussagen des Beschwerdeführers nicht glaubhaft seien und er sich nicht erinnern wolle respektive Erinnerungslücken vortäusche, mit der Aktenlage nicht zu vereinbaren. Dem Austrittsbericht des Stadtspitals Waid ist zu entnehmen, dass der Beschwerdeführer in der Nacht vom 22. Dezember 2006 mit starken Schmerzen im rechten Arm und im linken Oberschenkel sowie einer retrograden Amnesie in die chirurgische Notfallaufnahme eingeliefert wurde. Die anlässlich der erstinstanzlichen Hauptverhandlung eingereichten medizinischen Berichte attestieren ihm eine posttraumatische Belastungsstörung mit vermindertem Selbstvertrauen. Das Trauma äussere sich durch (nächtliche) Angstgefühle, das wiederholte Erleben des Vorfalls in sich aufdrängenden Erinnerungen (sogenannte Flashbacks), die vor allem nachts und in Träumen aufträten, einhergehend mit Schreckhaftigkeit, depressiven Verstimmungen und vegetativen Beschwerden wie Herzklopfen, Mundtrockenheit und Schweissausbrüchen. Hinzu komme ein Vermeidungsverhalten von Gesprächen, die an das Erlebte erinnern, begleitet durch Affektausbrüche, Weinen sowie Angst- und Unruhezustände. Seit Januar 2008 befinde sich der Beschwerdeführer in psychotherapeutischer Behandlung mit antidepressiver Medikation. Es wird die weitere psychologische und psychiatrische Betreuung empfohlen.
Aufgrund der medizinischen Berichte und Gutachten bestehen starke Indizien dafür, dass der Beschwerdeführer sich infolge einer retrogaden Amnesie sowie einer posttraumatischen Belastungsstörung nur an den Beginn und nicht an den Fortgang der Auseinandersetzung erinnern kann. Hinweise auf "bewusste Erinnerungslücken", um sich nicht dem Vorwurf des Selbstverschuldens auszusetzen, ergeben sich weder aus den Akten noch aus dem Aussageverhalten. Die vermeintlichen Unterschiede in Dichte und Umfang zwischen der polizeilichen und der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme lassen sich den Akten nicht in dem Mass entnehmen, wie die Vorinstanz ausführt, sondern sind eher untergeordneter Natur. Der Beschwerdeführer schildert in beiden Einvernahmen den Geschehensablauf praktisch identisch. Er beschreibt die Vorgeschichte und den Beginn der Auseinandersetzung recht detailliert, deren Fortgang aber nur noch in genereller Art und Weise. Dass die Ausführungen im Rahmen der polizeilichen Befragung umfangreicher ausfallen, verwundert nicht, da zwischen den beiden Befragungen sieben Monate liegen. Hinzu kommt, dass der Beschwerdeführer anlässlich der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme zu Protokoll gab, er fühle sich nicht so klar und sei einfach zu nervös, weil Erinnerungen aufgekommen seien. Dies ist vor dem Hintergrund der medizinischen Berichte und Gutachten ein weiteres Indiz dafür, dass er infolge des Vorfalls unter posttraumatischen Erinnerungen leidet, die dazu führen, Auseinandersetzungen darüber zu vermeiden. Anhaltspunkte, dass er aus finanziellen Motiven keine Aussagen machen wolle und Erinnerungslücken nur vortäuschte, gibt es nicht. Der aufgeführte Grund erweist sich als spekulativ.
Auch kann nicht einfach gesagt werden, eine detailliertere Aussage würde die "allgemeine Behauptung, die Beschwerdegegner 1 und 2 hätten ihn spitalreif geschlagen", in Frage stellen oder gar widerlegen. Aus den Einvernahmen und dem Rapport der Stadtpolizei Zürich, wonach der Beschwerdeführer direkt vom Tatort mit der Ambulanz ins Spital gefahren wurde, ergibt sich, dass er sich die im Austrittsbericht dokumentierten Verletzungen im Rahmen der Auseinandersetzung zugezogen haben muss. Es ist unwahrscheinlich, dass er mit den derartigen Verletzungen noch Taxi gefahren ist und die Beschwerdegegner 1 und 2 attackiert hat. Es mutet zudem lebensfremd an, wenn die Vorinstanz implizit davon ausgeht, der Beschwerdeführer könne in einer derartigen Ausnahmesituation eine detailliertere Schilderung des Tatgeschehens abgeben und sich im Einzelnen daran erinnern, welcher Beschwerdegegner ihn wie geschlagen oder getreten hat.
5.5 Dass der Beschwerdeführer mit seinem Aussageverhalten die Grundlage für Zweifel an seinen Aussagen gelegt habe, die mit sachlicher Begründung kaum zu überwinden seien, hält unter Berücksichtigung der medizinischen Unterlagen einer Überprüfung nicht stand und erweist sich als willkürlich (<ref-law>).
6. 6.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz verfalle in Willkür, indem sie unüberwindbare Zweifel am Realitätsbezug der Aussagen des Zeugen B._ hinsichtlich des Kerngeschehens als gegeben erachte.
6.2 Die Vorinstanz erwägt, in den Aussagen des Zeugen B._ spiegle sich eine emotionale Betroffenheit wieder. Die Aussagen seien zwar sachlich und differenziert, allerdings nicht so detailliert und originell, dass sie nicht auch andere Ereignisse der gleichen Art beschreiben könnten. Dass der Zeuge tatsächlich realitätsbezogen aussage, sei mit anderen Worten ausgehend von seiner Schilderung der Schläge/Tritte gegen den am Boden liegenden Beschwerdeführer nicht zwingend. Dieser Umstand müsse zwar nicht unausweichlich zu Zweifeln an der Glaubhaftigkeit seiner Aussagen führen, zwinge aber zu einem zusätzlichen kritischen Blick unter Berücksichtigung seiner weiteren Angaben und der übrigen zur Verfügung stehenden Beweismittel. Zusammenfassend sei festzuhalten, dass Zweifel am Realitätsbezug nicht verdrängt werden könnten.
6.3 Die vorinstanzliche Würdigung der Aussage des Zeugen B._ ist sachlich nicht nachvollziehbar. Unklar bleibt, was die Vorinstanz mit der Formulierung zum Ausdruck bringen möchte, "die Schilderung sei nicht so detailliert und originell, dass sie nicht auch andere Ereignisse der gleichen Art beschreiben könnte". Fest steht, dass der Zeuge B._ die Auseinandersetzung zwischen dem Beschwerdeführer und den Beschwerdegegnern 1 und 2 und keine andere Auseinandersetzung beobachtet hat, so dass er nicht andere Ereignisse der gleichen Art beschreibt, sondern Tritte und Schläge der Beschwerdegegner 1 und 2 gegen den Beschwerdeführer. Das beschriebene Kerngeschehen (Schläge und Tritte gegen den [wehrlos] am Boden liegenden Beschwerdeführer) wird in weiten Teilen auch durch die Aussagen des Zeugen C._, des Beschwerdeführers sowie die ärztlichen Berichte und Gutachten gestützt. Welchen Grad an Detailliertheit und Originalität erforderlich sein soll, um glaubwürdig zu sein, ist nicht klar und wird von der Vorinstanz offengelassen. Inwieweit eine detailliertere Schilderung Auswirkungen auf die rechtliche Bewertung haben könnte, ist nicht ersichtlich. Soweit die Vorinstanz in der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme nachträgliche Dramatisierungstendenzen gegenüber dem Polizeirapport ausmacht, ist anzumerken, dass sie dem Polizeirapport zu grosse Bedeutung zumisst. Dieser wurde mehr als drei Monate nach der Befragung verfasst. Der Rapport gibt die Aussage zudem nur sinngemäss wieder und wurde vom Zeugen nicht unterschrieben.
7. Insgesamt ist die Auseinandersetzung der Vorinstanz mit der Beweislage nicht sachgerecht und verletzt Bundesrecht.
7.1 Der Verzicht auf Beweisergänzungen - insbesondere auf medizinische Abklärungen - mit der Begründung, diese würden sich nicht auf den Verfahrensausgang auswirken (antizipierte Beweiswürdigung), ist unhaltbar. Das Einholen einer Expertise sowie weitere Beweiserhebungen drängen sich vorliegend aufgrund der vom Beschwerdeführer eingereichten ärztlichen Berichte und Gutachten geradezu auf. Ob das im Austrittsbericht beschriebene Verletzungsbild ebenso gut zu den Aussagen des Beschwerdegegners 1 wie denjenigen des Beschwerdeführers passt, kann nur durch eine Fachperson beurteilt werden und hätte die gerichtliche Einvernahme der behandelnden Ärzte oder ein medizinisches Gutachten erfordert. Dies drängte sich insbesondere auf, da die Beschwerdegegner 1 und 2 ausschliessen, der Beschwerdeführer habe sich die Verletzungen im Rahmen der Auseinandersetzung zuziehen können, was jedoch erwiesen ist.
Nicht nachvollziehbar ist, dass die Vorinstanz den provisorischen Austrittsbericht des Stadtspitals Waid als nicht verwertbar bezeichnet, die darin dokumentierten Verletzungen jedoch ihrer Urteilsbegründung (hypothetisch) zugrunde legt. Der Umstand, dass der Austrittsbericht nicht unterschrieben ist, führt entgegen den vorinstanzlichen Erwägungen nicht zu dessen Unverwertbarkeit. Der Austrittsbericht ist ein Sachbeweis im Sinne von <ref-law> in Form einer Urkunde. Im prozessrechtlichen Sinne ist eine Urkunde jede Schrift oder andere Aufzeichnung, die geeignet ist, dank ihres Inhalts beweisbildend zu wirken (Niklaus Schmid, Schweizerische Strafprozessordnung, Praxiskommentar, Zürich/St. Gallen 2009, <ref-law> N. 3). Von Urkunden und weiteren Aufzeichnungen werden Kopien erstellt und zu den Akten genommen, wenn dies dem Zwecke des Verfahrens genügt. Die Kopien sind nötigenfalls zu beglaubigen (Art. 192 Abs. 1 und 2 StPO). Der Austrittsbericht wurde maschinell mit Briefkopf des Stadtspitals Waid erstellt und vom erstinstanzlichen Gericht in Kopie als Sachbeweis zu den Akten genommen. Zweifel an dessen Authentizität oder inhaltlicher Richtigkeit ergeben sich aus den Akten nicht und wurden im Übrigen von den Beschwerdegegnern 1 und 2 auch nie geltend gemacht. Welche weiteren Anforderungen die Vorinstanz an die Verwertbarkeit von Urkundsbeweisen im Sinne von <ref-law> verlangt, ist - auch unter Hinweis auf eine analoge Anwendung von <ref-law> betreffend den gerichtlichen Entscheid über anhängig gemachte Zivilklagen - nicht ersichtlich.
7.2 Unverständlich ist insbesondere, dass die Vorinstanz den Beschwerdeführer und die Zeugen C._ und B._ nicht gerichtlich einvernommen hat. Dies hätte ihr ermöglicht, einen persönlichen Eindruck von deren Aussageverhalten und Glaubwürdigkeit zu gewinnen und allenfalls gleichzeitig Widersprüche und Unklarheiten hinsichtlich der bereits gemachten Aussagen zu beseitigen (Art. 389 Abs. 3 i.V.m. Art. 343 Abs. 1 und 3 StPO).
7.3 Es bestehen zudem etliche, offenkundige Widersprüche und Ungereimtheiten bei den Aussagen der Beschwerdegegner 1 und 2, und zwar sowohl untereinander als auch hinsichtlich der übrigen Beweismittel. Die vorinstanzliche Würdigung der Aussagen ist nicht nachvollziehbar. Exemplarisch sei erwähnt, dass sich in den Akten kein Hinweis dafür findet, der Beschwerdeführer habe dem Beschwerdegegner 1 mit einem Schlag ins Gesicht die Nase gebrochen und ihm anschliessend eine Flüssigkeit ins Gesicht gesprüht. Im Polizeibericht sind keinerlei Verletzungen des Beschwerdegegners 1 festgehalten und eine Glasflasche mit Flüssigkeit wurde am Tatort ebenfalls nicht sichergestellt. Auch haben die Beschwerdegegner 1 und 2 im Laufe des Verfahrens ihre Aussagen mehrfach geändert und sich immer mehr der Schilderung des Beschwerdeführers angenähert, so zuletzt anlässlich der Berufungsverhandlung. Die dort gemachten Aussagen berücksichtigt die Vorinstanz bei der Beweiswürdigung jedoch nicht. So bestritten die Beschwerdegegner 1 und 2 zunächst, etwas auf das Taxi des Beschwerdeführers geworfen zu haben. Der Beschwerdegegner 2 wollte gar kein Geräusch oder Knall wahrgenommen haben. An der Berufungsverhandlung räumte er jedoch ein, eine Münze auf das Taxi geworfen zu haben. Sodann bestätigten sie, den Beschwerdeführer vor Beginn der Auseinandersetzung beschimpft zu haben. Wie der Beschwerdegegner 2 vom Geldautomaten der ZKB an der Bahnhofstrasse den allfälligen Angriff des Beschwerdeführers auf den Beschwerdegegner 1 beobachtet haben will, ist auch bei "Berücksichtigung der notorischen örtlichen Verhältnisse" nicht nachvollziehbar. Die Auseinandersetzung ereignete sich laut Polizeirapport und Zeugenaussagen in der Börsenstrasse auf Höhe von Hausnummer 21. Die Börsenstrasse geht im rechten Winkel von der Bahnhofstrasse ab. Es ist zweifelhaft, dass der Beschwerdegegner 2 den vermeintlichen Angriff von seinem Standort aus sehen konnte.
8. Auf die Schadensersatz- und Genugtuungsanträge ist bei diesem Ergebnis nicht einzutreten.
9. 9.1 Die Beschwerde ist gutzuheissen. Der angefochtene Entscheid ist aufzuheben und die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
9.2 Bei diesem Ausgang des Verfahrens haben grundsätzlich die Beschwerdegegner 1 und 2 als unterliegende Parteien die bundesgerichtlichen Verfahrenskosten zu tragen (<ref-law>). Dem Beschwerdegegner 2 wurde die unentgeltliche Rechtspflege gewährt, weshalb er von der Zahlung der Kosten befreit ist. Hierfür hat er der Gerichtskasse Ersatz zu leisten, wenn er später dazu in der Lage ist (Art. 64 Abs. 1 und 4 BGG). Dem Kanton Zürich sind keine Verfahrenskosten aufzuerlegen (<ref-law>).
9.3 Die Entschädigung des Beschwerdeführers ist vom Kanton Zürich sowie den Beschwerdegegnern 1 und 2, letztere unter solidarischer Haftung (Art. 68 Abs. 1 und 2 BGG), zu gleichen Teilen zu tragen.
9.4 Rechtsanwalt Stefan Flachsmann ist aus der Bundesgerichtskasse eine Entschädigung von Fr. 1'500.-- auszurichten.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird gutgeheissen, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich, I. Strafkammer, vom 12. März 2012 aufgehoben und die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen.
2. Den Beschwerdegegnern 1 und 2 werden Gerichtskosten von je Fr. 1'500.-- auferlegt. Der Anteil des Beschwerdegegners 2 wird vorläufig auf die Bundesgerichtskasse genommen.
3. Der Kanton Zürich und die Beschwerdegegner 1 und 2 haben den Beschwerdeführer mit je Fr. 1'000.-- zu entschädigen, wobei die Beschwerdegegner 1 und 2 untereinander solidarisch haften.
4. Rechtsanwalt Stefan Flachsmann wird aus der Bundesgerichtskasse eine Entschädigung von Fr. 1'500.-- ausgerichtet.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 29. November 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Held