Sachverhalt:
A. Das Bezirksgericht Bülach sprach X._ am 5. Oktober 2011 der Geldwäscherei und der mehrfachen qualifizierten Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz schuldig. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von acht Jahren.
Die von X._ gegen diesen Entscheid erhobene Berufung im Strafpunkt wies das Obergericht des Kantons Zürich mit Urteil vom 29. Juni 2012 ab.
B. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich sei aufzuheben, und er sei mit einer Freiheitsstrafe von höchstens 63⁄4 Jahren zu bestrafen. Eventualiter sei die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Zudem ersucht er um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege.

Erwägungen:
1. 1.1 Anfechtungsobjekt der Beschwerde an das Bundesgericht ist der letztinstanzliche kantonale Entscheid (<ref-law>). Das ist vorliegend das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich vom 29. Juni 2012. Soweit sich die Rügen des Beschwerdeführers auf den Entscheid der ersten Instanz beziehen (Beschwerde S. 3-5), ist auf die Beschwerde nicht einzutreten. Auch das Vorbringen des Beschwerdeführers, bei Besuchen seiner Freundin seien ihm die Dolmetscherkosten auferlegt worden, ist nicht zu behandeln (Beschwerde S. 9).
1.2 Mangels hinreichender Begründung ist auf die Beschwerde zudem insofern nicht einzutreten, als der Beschwerdeführer rügt, das rechtliche Gehör sei verletzt, weil sich die Richter der Vorinstanz nicht für sein Verfahren interessiert hätten (Beschwerde S. 3 2. Absatz; <ref-law>; <ref-ruling> E. 4.2.3 S. 5 mit Hinweisen).
2. 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 (<ref-law>; siehe Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von <ref-law> ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 4.2 S. 234 mit Hinweisen; zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 7.1 mit Hinweisen). Auf eine appellatorische Kritik am angefochtenen Entscheid tritt das Bundesgericht nicht ein (<ref-ruling> E. 4.2.3 S. 5 mit Hinweis).
Soweit der Beschwerdeführer den tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz lediglich seine Sicht der Dinge gegenüberstellt, ist auf die Beschwerde nicht einzutreten. Dies ist der Fall, wenn er ausführt, er sei sehr früh geständig gewesen und habe einige Zugeständnisse gemacht (Beschwerde S. 5 f.). An der Sache vorbei geht sodann die Rüge des Beschwerdeführers, die vorinstanzliche Feststellung, er habe selber ausgesagt, ihm gegenüber sei nie eine Drohung ausgesprochen worden, sei aktenwidrig und damit offensichtlich falsch (Beschwerde S. 7 f.). Es ist weder ersichtlich noch dargelegt, inwiefern eine solche Klarstellung für den Ausgang des vorliegenden Verfahrens relevant sein könnte. Die Vorinstanz erwägt hierzu, selbst wenn angenommen werde, der Beschwerdeführer sei von "Y._" eingeschüchtert gewesen, relativiere dies seine umfangreiche Tätigkeit im Drogenhandel nicht massgeblich (Urteil S. 6).
3. 3.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung seines Anspruchs auf rechtliches Gehör. Die Vorinstanz äussere sich nicht zu den zur Bedrohungslage eingereichten Presseberichten über "Y._". Sie setze sich auch nicht mit den Ausführungen seines Verteidigers zu seinem schlechten Gesundheitszustand oder dem diesbezüglichen Arztbericht auseinander. Dadurch verletze sie bei der Strafzumessung ihre Begründungspflicht (Beschwerde S. 8 lit. d und S. 8 f. Ziff. 5).
3.2 Der Anspruch auf rechtliches Gehör (<ref-law>) verlangt insbesondere, dass das Gericht die Vorbringen des vom Entscheid in seiner Rechtsstellung Betroffenen tatsächlich hört, prüft und in der Entscheidfindung berücksichtigt. Die Begründung des Entscheids muss zumindest kurz die wesentlichen Überlegungen nennen, von denen sich das Gericht hat leiten lassen und auf die es seinen Entscheid stützt. Dagegen wird nicht verlangt, dass sich die Begründung mit allen Parteistandpunkten einlässlich auseinandersetzt und jedes einzelne Vorbringen ausdrücklich widerlegt (<ref-ruling> E. 5.2; 184 E. 2.2.1; je mit Hinweis).
Nach <ref-law> hat der Richter die für die Zumessung der Strafe erheblichen Umstände und deren Gewichtung festzuhalten. Er muss die Überlegungen, die er bei der Bemessung der Strafe vorgenommen hat, in den Grundzügen wiedergeben, so dass die Strafzumessung nachvollziehbar ist (<ref-ruling> E. 2.1 S. 20 mit Hinweisen).
3.3 Die Rüge der Verletzung des rechtlichen Gehörs ist unbegründet. Die Vorinstanz äussert sich zur geltend gemachten Bedrohungslage durch "Y._" und legt dar, weshalb sie diese nicht strafmindernd berücksichtigt (Urteil S. 6). Sodann übergeht sie die Vorbringen zum angeblich schlechten Gesundheitszustand nicht, sondern führt aus, beim Beschwerdeführer liege keine erhöhte Strafempfindlichkeit vor. Der eingereichte Arztbericht halte fest, dass er sich einer guten Gesundheit erfreue (Urteil S. 8 E. 6 2. Abs.). Dass die Vorinstanz die Beweise nicht im Sinne des Beschwerdeführers würdigt, begründet keine Verletzung des rechtlichen Gehörs.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung. Er macht geltend, die von der Vorinstanz ausgefällte Freiheitsstrafe von acht Jahren sei insbesondere im Verhältnis zur Strafe seines Mittäters von 63⁄4 Jahren zu hoch. Dieser habe nicht wie er bloss zwei, sondern sieben Transaktionen mit einer insgesamt fast doppelten Menge an reinem Kokain durchgeführt. Weiter berücksichtige die Vorinstanz zu Unrecht gewisse strafmindernde Faktoren nicht, wie seine Bedrohungslage oder erhöhte Strafempfindlichkeit. Sie beziehe sein Nachtatverhalten nur ungenügend strafmindernd mit ein.
4.2 Die Vorinstanz berücksichtigt bei den Widerhandlungen gegen das Betäubungsmittelgesetz neben der inkriminierten Menge an reinem Kokain von insgesamt 15,44 kg das raffinierte Vorgehen des Beschwerdeführers und seine leitende Stellung. Sie geht von einem schweren objektiven Tatverschulden aus. Das subjektive Tatverschulden stuft sie ebenfalls als schwer ein. Für die Straftat vom 23. Mai 2009 erachtet sie eine hypothetische Einsatzstrafe von ca. neun Jahren als angemessen. Diese sei für die Einfuhr und den Verkauf von 4,88 kg reinem Kokain vom 27. März 2009 um mindestens 21⁄2 Jahre zu erhöhen. Auch bei der Geldwäscherei stuft die Vorinstanz das Tatverschulden angesichts des durchdachten Vorgehens und der Höhe des Deliktsbetrags als schwer ein. Die hypothetische Einsatzstrafe sei um ein weiteres Jahr anzuheben. Die von der ersten Instanz ausgefällte Freiheitsstrafe von acht Jahren erachtet sie für die zu sanktionierenden Delikte insgesamt als zu tief. Sie bestätigt diese jedoch aus prozessualen Gründen (Urteil S. 4 ff.).
4.3 Das Bundesgericht hat die Grundsätze der Strafzumessung wiederholt dargelegt (<ref-ruling> E. 5.4 ff.; <ref-ruling> E. 8.1; je mit Hinweisen). Darauf kann verwiesen werden.
Hat der Sachrichter im gleichen Verfahren Mittäter zu beurteilen, so ist zu berücksichtigen, in welchem gegenseitigen Verhältnis die Tatbeiträge stehen. Der Grundsatz der Gleichbehandlung und Gleichmässigkeit der Strafzumessung gebietet, dass sich jeder für den ihm zukommenden Anteil an der Unrechtmässigkeit der Tat zu verantworten hat. Ist der Tatbeitrag gleichwertig, führt das zunächst zu einer gleichen (objektiven) Schuldeinschätzung. Erst wenn auch die subjektive Vorwerfbarkeit identisch ist und sich überdies namentlich die individuellen Täterkomponenten gleichmässig auswirken, drängt sich die gleiche Strafe für die Mittäter auf. Häufig liegen jedoch ungleiche Strafzumessungsfaktoren vor. In diesen Fällen kann es zu unterschiedlichen Strafen kommen. Der Grundsatz der Gleichmässigkeit ist nur verletzt, wenn es der Richter bei der Festlegung der einzelnen Strafen unterlässt, im Sinne einer Gesamtbetrachtung beide Strafzumessungen in Einklang zu bringen. Ist aus formellen Gründen nur über einen Mittäter zu urteilen, während die Strafe des andern feststeht, so geht es darum, einen hypothetischen Vergleich anzustellen. Der Richter hat sich zu fragen, welche Strafen er ausfällen würde, wenn er beide Mittäter beurteilen müsste. Dabei hat er sich einzig von seinem pflichtgemässen Ermessen leiten zu lassen. Die Autonomie des Richters kann zur Folge haben, dass die Strafen von Mittätern in einem Missverhältnis stehen. Dies ist verfassungsrechtlich unbedenklich, solange die in Frage stehende Strafe als solche angemessen ist. Ein Anspruch auf "Gleichbehandlung im Unrecht" besteht grundsätzlich nicht (<ref-ruling> E. 3.1 ff. mit Hinweisen).
4.4 Die Vorinstanz setzt sich mit den wesentlichen schuldrelevanten Komponenten auseinander und würdigt alle Zumessungsfaktoren zutreffend. Dass sie sich von unmassgeblichen Gesichtspunkten hätte leiten lassen oder wesentliche Aspekte unberücksichtigt gelassen hätte, ist nicht ersichtlich. Auf ihre Ausführungen kann verwiesen werden (Urteil S. 4 ff.).
Die Vorinstanz bezeichnet die Bedrohungssituation des Beschwerdeführers zu Recht nicht als strafmindernd, weil diese seine umfangreiche Tätigkeit im Betäubungsmittelhandel nicht substanziell relativiert.
Ferner stuft die Vorinstanz die Strafempfindlichkeit des Beschwerdeführers zutreffend als durchschnittlich ein. Entgegen dessen Behauptung belegt das eingereichte Arztzeugnis keine gesundheitlichen Probleme (Beschwerde S. 9), sondern stellt im Gegenteil fest, dass er sich einer guten Gesundheit erfreut (Urteil S. 8). Weitere Umstände, die auf eine besondere Strafempfindlichkeit hinweisen würden, sind weder dargelegt noch ersichtlich.
Soweit der Beschwerdeführer die gegen ihn ausgesprochene Strafe aufgrund eines Vergleichs mit derjenigen des Mittäters beanstandet, ist der Beschwerde kein Erfolg beschieden. Die Vorinstanz musste lediglich seine Strafe beurteilen und neu bestimmen, während diejenige des Mittäters feststand. Insofern konnte sie dem Beschwerdeführer gegenüber auch nicht einen strengeren Massstab als beim Mittäter anwenden. Sie lässt weiter das Verhältnis zwischen den Strafen nicht unberücksichtigt, sondern erwägt, die von der ersten Instanz ausgefällte Strafe erweise sich als zu tief. Weil kein Anspruch auf Gleichbehandlung im Unrecht bestehe, würde die Strafe auch nicht tiefer ausfallen, wenn die geltend gemachte Verletzung von <ref-law> bezüglich der Anzahl Transaktionen im Vergleich zum Mittäter bejaht würde (Urteil S. 8). Aus prozessualen Gründen kann sie jedoch die Strafe nicht erhöhen. Aus dem Umstand, dass die Beschwerdegegnerin gegen die erstinstanzlichen Entscheide kein Rechtsmittel einlegte, lässt sich entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers nicht ableiten, die Strafe sei angemessen. Zudem ist die Betäubungsmittelmenge zwar ein wichtiger Strafzumessungsfaktor, vorliegend aber nicht von vorrangiger Bedeutung. Massgebend ist das Verschulden (<ref-ruling> E. 2d/cc S. 206 mit Hinweis).
Die Vorinstanz berücksichtigt das Nachtatverhalten des Beschwerdeführers leicht strafmindernd. Sie führt aus, dieser habe im Laufe der Untersuchung nur einzelne ihm vorgeworfene Taten bzw. Tatbeteiligungen zugegeben. Sein vollständiges Geständnis sei erst erfolgt, als er mit dem Mittäter und dessen Aussagen konfrontiert worden sei. Damals habe er nur die Angaben des Mittäters bestätigt und für die Untersuchung keine neuen Erkenntnisse geliefert (Urteil S. 8). Die Vorinstanz überschreitet oder missbraucht ihr Ermessen bei der Bewertung des Nachtatverhaltens des Beschwerdeführers nicht. Geständnisse können strafmindernd berücksichtigt werden, namentlich wenn sie Ausdruck von Einsicht und Reue des Täters sind. Ein Verzicht auf Strafminderung kann sich demgegenüber aufdrängen, wenn das Geständnis die Strafverfolgung nicht erleichtert hat, insbesondere weil der Täter nur aufgrund einer erdrückenden Beweislage geständig geworden ist (Urteil 6B_473/2011 vom 13. Oktober 2011 E. 5.4 mit Hinweisen).
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Der Beschwerdeführer wird ausgangsgemäss kostenpflichtig (<ref-law>). Sein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos war (<ref-law> e contrario). Den angespannten finanziellen Verhältnissen des Beschwerdeführers ist mit reduzierten Gerichtskosten Rechnung zu tragen (Beschwerde S. 9; <ref-law>).

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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 17. Januar 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Pasquini