Sachverhalt:
A.
Gemäss Anklage nahm X._ in der Zeit von Frühling/Sommer 2000 (frühestens 16. März 2000) bis zum 19. April 2004 regelmässig sexuelle Handlungen mit seiner Stieftochter vor. Das 1988 geborene Mädchen musste unter anderem seinen nackten Penis berühren und bis zur Ejakulation stimulieren sowie ihn oral befriedigen. X._ griff seine Stieftochter regelmässig im Schambereich aus, küsste und leckte diesen und rieb seinen Penis an ihrer Klitoris. Nachdem es ihm einmal nicht gelungen war, in seine Stieftochter einzudringen, weil sie sich massiv verkrampft hatte, legte er sich ein anderes Mal auf sie, hielt sie fest und drang vaginal in sie ein. In der Folge vollzog X._ zirka einmal wöchentlich den Geschlechtsverkehr mit ihr, wobei er einmal erfolglos versuchte, anal in sie einzudringen.
B.
Das Bezirksgericht Affoltern verurteilte X._ am 4. März 2010 wegen Vergewaltigung, sexueller Nötigung und sexuellen Handlungen mit Kindern, alles mehrfach sowie mehrfach versucht begangen, und mehrfacher Pornographie zu einer Freiheitsstrafe von 9 Jahren, als Zusatzstrafe zu vier Urteilen. Auf die Anklage wegen mehrfacher Pornographie trat es teilweise nicht ein.
C.
Das Obergericht des Kantons Zürich bestätigte die Schuldsprüche grösstenteils, sprach X._ jedoch vom Vorwurf der sexuellen Nötigung und sexuellen Handlungen mit Kindern in der Zeit von Mitte März 2000 bis Mitte Oktober 2001 (Ziff. II.2 der Anklageschrift) sowie vom Vorwurf der mehrfachen Vergewaltigung und der mehrfachen sexuellen Nötigung nach dem 14. Dezember 2002 (teilweise Ziff. V. und VI. der Anklageschrift) frei. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 5 1⁄2 Jahren, als Zusatzstrafe zu drei Urteilen. Auf die Anklage wegen mehrfacher Pornographie trat es nicht ein.
Im Anschluss an die Urteilseröffnung versetzte der Vorsitzende der II. Strafkammer X._ wegen Fluchtgefahr in Sicherheitshaft. Die gegen die Abweisung des Haftentlassungsgesuchs erhobene Beschwerde in Strafsachen wurde gutgeheissen, und X._ wurde unter Anordnung von Ersatzmassnahmen aus der Sicherheitshaft entlassen (Urteil 1B_679/2012 vom 4. Dezember 2012).
D.
X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.

Erwägungen:
1.
Am 1. Januar 2011 trat die Schweizerische Strafprozessordnung (StPO; SR 312.0) in Kraft. Das erstinstanzliche Urteil des Bezirksgerichts Affoltern erging am 4. März 2010. Das kantonale Verfahren richtet sich gemäss <ref-law> weiterhin nach der Strafprozessordnung des Kantons Zürich vom 4. Mai 1919 (LS 321; StPO/ZH; vgl. <ref-ruling> E. 1.1 S. 221 mit Hinweisen). Soweit der Beschwerdeführer eine Verletzung der Schweizerischen Strafprozessordnung rügt, ist auf die Beschwerde nicht einzutreten (Beschwerde S. 12 f., 19, 21, 42, 50, 58).
Das Bundesgericht überprüft die Auslegung und Anwendung kantonalen Rechts - von hier nicht relevanten Ausnahmen abgesehen - nur unter dem beschränkten Gesichtswinkel der Willkür (vgl. <ref-law>; <ref-ruling> E. 2 S. 15). Die Rüge der Verletzung von Grundrechten einschliesslich Willkür muss in der Beschwerde präzis vorgebracht und substanziiert begründet werden, andernfalls auf die Beschwerde nicht einzutreten ist. Das bedeutet, dass klar und detailliert anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheids darzulegen ist, inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt worden sein sollen (<ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 3.2 S. 228; <ref-ruling> E. 4.2.3 S. 5; je mit Hinweisen).
2.
2.1. Der Beschwerdeführer rügt, das Öffentlichkeitsgebot gemäss <ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK sei verletzt, da die Öffentlichkeit von der vorinstanzlichen Verhandlung ausgeschlossen worden sei.
2.1.1. Art. 6 Ziff. 1 EMRK räumt das Recht ein, dass unter anderem in Strafsachen öffentlich verhandelt wird. <ref-law> garantiert dieses Recht nur, wenn eine mündliche Gerichtsverhandlung stattfindet (<ref-ruling> E. 2.3-2.6 S. 291 ff. mit Hinweisen). Der Öffentlichkeitsgrundsatz soll nicht nur Personen, die am Prozess beteiligt sind, eine korrekte Behandlung gewährleisten. Vielmehr will er auch der Allgemeinheit ermöglichen, festzustellen, wie das Recht verwaltet und die Rechtspflege ausgeübt wird, und liegt insoweit auch im öffentlichen Interesse (<ref-ruling> E. 8.1 S. 107 mit Hinweisen).
Die Öffentlichkeit des Verfahrens kann aus den Gründen gemäss Art. 6 Ziff. 1 Satz 2 EMRK eingeschränkt werden. Diese Bestimmung enthält einen unmittelbar anwendbaren Vorbehalt, das heisst, es bedarf keiner gesetzlichen Regelung, um die Zulässigkeit der Beschränkung der Öffentlichkeit durch nationale Gerichte zu begründen. Dies schliesst nicht aus, dass der Gesetzgeber dennoch Regelungen trifft. Diese dürfen jedoch nicht über den Tatbestand von Art. 6 EMRK hinausgehen (Grabenwarter/Pabel, Europäische Menschenrechtskonvention, 5. Aufl. 2012, § 24 N. 76).
Der Ausschluss der Öffentlichkeit muss verhältnismässig, das heisst geeignet und erforderlich sein. Zudem muss ein angemessenes Verhältnis zwischen den Gründen für den Ausschluss der Öffentlichkeit und dem Interesse an der öffentlichen Verhandlung bestehen (Urteil 1C_332/2008 vom 15. Dezember 2008 E. 3.1 mit Hinweis auf die Rechtsprechung des EGMR; Grabenwarter/Pabel, a.a.O., § 24 N. 80; Müller/Schefer, Grundrechte in der Schweiz, 4. Aufl. 2008, S. 971 f.).
2.1.2. Die erstinstanzliche Verhandlung fand auf Antrag des Opfers unter Ausschluss der Öffentlichkeit statt (kantonale Akten, act. 46, 53). Der Beschwerdeführer opponierte nicht dagegen. Die Urteilseröffnung war öffentlich (kantonale Akten, Protokoll Bezirksgericht Affoltern, S. 41). Anlässlich der vorinstanzlichen Verhandlung erklärte der Vorsitzende einleitend, die Öffentlichkeit sei von der Verhandlung ausgeschlossen. Der Beschwerdeführer stellte vorfrageweise den Antrag, die Verhandlung sei abzunehmen, und es sei zur erneuten Berufungsverhandlung vorzuladen. Dabei sei die Öffentlichkeit, insbesondere der Gerichtsberichterstatter, zuzulassen. Das Gericht wies den Antrag ab (kantonale Akten, act. 185 S. 1 ff., act. 270 S. 24 ff.).
2.1.3. Die Vorinstanz schloss die Öffentlichkeit von der Hauptverhandlung aus, ohne eine Interessenabwägung vorzunehmen. Da die Öffentlichkeit bereits von der erstinstanzlichen Verhandlung ausgeschlossen war, wäre vom anwaltlich vertretenen Beschwerdeführer zu erwarten gewesen, dass er sich aktiv um eine publikums- oder medienöffentliche Hauptverhandlung vor Obergericht bemühte. Indem er dies erst anlässlich der vorinstanzlichen Verhandlung vorfrageweise tat, obwohl er gemäss eigenen Angaben bereits "wenige Tage" zuvor im Internet vom Ausschluss der Öffentlichkeit erfahren hatte, verstösst sein Verhalten gegen den Grundsatz von Treu und Glauben. Die Vorinstanz durfte annehmen, dass der Beschwerdeführer stillschweigend auf einen Antrag verzichtete, weshalb sie keine Interessenabwägung vornehmen musste.
2.2. Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung von <ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK, weil die Vorinstanz von einer öffentlichen Urteilsverkündung absah. Die Rüge wird nicht weiter begründet, weshalb darauf nicht einzutreten ist (<ref-law>; <ref-ruling> E. 3.2 S. 228).
2.3. Gleiches gilt für die Rüge, die Vorinstanz habe sein rechtliches Gehör (<ref-law>) verletzt, da sie entgegen seinem Antrag "keine rechtsmittelfähige Verfügung" erlassen habe.
Gemäss dem Protokoll der vorinstanzlichen Verhandlung begründete der Vorsitzende die Abweisung des Antrags des Beschwerdeführers mündlich. Er verwies auf Art. 35 lit. e aOHG (SR 312.5; Version in Kraft vom 1. Januar 2009 bis 31. Dezember 2010) und führte aus, dass Grundrechte nicht schrankenlos seien und die Voraussetzungen für eine Einschränkung vorliegen würden (kantonale Akten, act. 270 S. 25 f.). Damit war dem Beschwerdeführer bekannt, weshalb sein Antrag abgewiesen wurde. Der Beschluss wurde protokolliert. Welche (kantonale) Bestimmung willkürlich verletzt worden sein soll, indem "keine rechtsmittelfähige Verfügung" erlassen wurde, begründet der Beschwerdeführer nicht näher.
3.
Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung des Anklagegrundsatzes (Art. 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 2 BV sowie Art. 6 Ziff. 3 lit. a EMRK). Die sexuellen Übergriffe würden lediglich behauptet und nicht anklagegenügend substanziiert. Es würden mehr als 300 Vorfälle beschrieben, die der Beschwerdeführer in einem Zeitraum von vier Jahren begangen haben soll. Es fehlten konkrete Angaben spezifischer Umstände im Tatablauf sowie ein genaues Datum oder eine Uhrzeit. Die Wahrung der Verteidigungsrechte werde verunmöglicht respektive in einem nicht zumutbaren Masse erschwert. Indem die Vorinstanz nicht von Amtes wegen geprüft habe, ob jeder einzelne Tatvorwurf den gesetzlichen Anforderungen entspreche, und dies auch auf Antrag der Verteidigung nicht gemacht habe, verletze sie das rechtliche Gehör des Beschwerdeführers. Die vorinstanzliche Feststellung sei willkürlich, die Anklageschrift genüge den Anforderungen integral.
3.1. Nach dem Anklagegrundsatz bestimmt die Anklageschrift den Gegenstand des Gerichtsverfahrens und dient der Information der beschuldigten Person (Umgrenzungs- und Informationsfunktion). Die Anklage hat die der beschuldigten Person zur Last gelegten Delikte in ihrem Sachverhalt so präzise zu umschreiben, dass die Vorwürfe in objektiver und subjektiver Hinsicht genügend konkretisiert sind. Das Anklageprinzip bezweckt zugleich den Schutz der Verteidigungsrechte der beschuldigten Person und dient dem Anspruch auf rechtliches Gehör (vgl. Urteil 6B_130/2012 vom 22. Oktober 2012 E. 6.2, nicht publ. in: <ref-ruling>; <ref-ruling> E. 6.2 f. S. 244 f.; je mit Hinweisen).
3.2. Wie die Vorinstanz zutreffend ausführt (Urteil S. 11), ist unter dem Gesichtspunkt der Informationsfunktion des Anklageprinzips massgebend, dass die angeklagte Person genau weiss, was ihr angelastet wird, damit sie ihre Verteidigungsrechte angemessen ausüben kann. Ungenauigkeiten in den Zeitangaben sind solange nicht von entscheidender Bedeutung, als für die beschuldigte Person keine Zweifel darüber bestehen können, welches Verhalten ihr vorgeworfen wird (siehe Urteile des Bundesgerichts 6B_233/2010 vom 6. Mai 2010 E. 2.3 und 6B_830/2008 vom 27. Februar 2009 E. 2.4; je mit Hinweisen).
Dies ist vorliegend der Fall. Es trifft zwar zu, dass die Übergriffe zeitlich sehr vage eingegrenzt sind und weite Zeiträume betreffen. Bei gehäuften und regelmässigen Delikten wird dem Anklagegrundsatz Genüge getan, wenn die Handlungen in zeitlicher und örtlicher Hinsicht lediglich approximativ umschrieben werden. Der Zeitraum ist auf eine bestimmte Dauer einzugrenzen. Insbesondere bei Familiendelikten kann nicht erwartet werden, dass über jeden einzelnen Vorfall Buch geführt wird (vgl. Urteil 6B_379/2013 vom 4. Juli 2013 E. 1.2). Es ist auch nicht zu beanstanden, dass die erste Tathandlung genauer beschrieben wird als die Folgenden. Aus der Anklageschrift ergibt sich, dass es sich um gleichartige Vorfälle gehandelt haben soll. Auch ist der jeweiligen Umschreibung zu entnehmen, welche sexuellen Handlungen dem Beschwerdeführer vorgeworfen werden. Da die Übergriffe regelmässig, und während einer Dauer von vier Jahren erfolgt sein sollen, wäre es erstaunlich, wenn sich das Opfer jeweils an das Datum, die Zeit und den genauen Ablauf erinnern könnte. Für den Beschwerdeführer war ohne Weiteres ersichtlich, welche Vorfälle Gegenstand der Anklage bilden. Die Vorwürfe sind in sachlicher und örtlicher Hinsicht genügend detailliert umschrieben, was eine hinreichende Individualisierung der Taten erlaubt und die relative zeitliche Unbestimmtheit der Anklage aufzuwiegen vermag (vgl. als Überblick über die bundesgerichtliche Rechtsprechung Urteil 6B_432/2011 vom 26. Oktober 2011 E. 2.3). Der Beschwerdeführer wurde in seinen Verteidigungsrechten nicht massgeblich eingeschränkt.
3.3. Die Vorinstanz hat sich mit den Vorbringen des Beschwerdeführers auseinandergesetzt und ist nicht in Willkür verfallen (Urteil S. 11 f.). Das rechtliche Gehör des Beschwerdeführers und das Willkürverbot sind nicht verletzt.
4.
Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz mehrere Verfassungs- und EMRK-Verletzungen vor, da sie auf seine Rüge, das Bezirksgericht Affoltern sei befangen gewesen, weil es die Aufgabe der Anklage übernommen habe, nicht eingetreten sei.
Die Vorinstanz erwägt, der Beschwerdeführer hätte die ungenügende Anklagevertretung respektive eine allfällige daraus abgeleitete Befangenheit des Gerichts anlässlich der erstinstanzlichen Verhandlung rügen müssen. Er habe den Anspruch verwirkt, weshalb auf die Rüge nicht näher einzugehen sei (Urteil S. 13).
Der Beschwerdeführer setzt sich mit dieser Begründung nicht substanziiert auseinander. Er legt nicht dar, inwiefern die Vorinstanz die von ihm angerufenen Verfassungs- und EMRK-Bestimmungen verletzt haben soll. Auf die Beschwerde ist in diesem Punkt nicht einzutreten.
5.
Der Beschwerdeführer rügt, im vorinstanzlichen Verfahren habe faktisch keine Urteilsberatung stattgefunden. Das angefochtene Urteil sei vorberaten worden und habe bereits vor der Berufungsverhandlung in den wesentlichen Zügen und im Ergebnis festgestanden. Die Vorinstanz habe sich nicht mit den Plädoyers der Verteidigung und der anderen Parteien auseinandergesetzt. Dies sei ihr angesichts der kurzen Beratungsdauer gar nicht möglich gewesen. Auch sei der Staatsanwaltschaft das Urteil bereits bekannt gewesen. Damit seien seine Rechte auf ein faires Verfahren sowie ein unabhängiges und unparteiisches Gericht und sein rechtliches Gehör verletzt (Art. 29 Abs. 1 und 2 sowie <ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK).
5.1. Nach <ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK hat jede Person Anspruch darauf, dass ihre Sache von einem unparteiischen, unvoreingenommenen und unbefangenen Richter ohne Einwirken sachfremder Umstände entschieden wird. Dies soll zu der für einen korrekten und fairen Prozess erforderlichen Offenheit des Verfahrens beitragen und ein gerechtes Urteil ermöglichen (<ref-ruling> E. 2.1 S. 229 mit Hinweisen).
Die Garantie des verfassungsmässigen Richters wird verletzt, wenn bei objektiver Betrachtung der Anschein der Befangenheit oder die Gefahr der Voreingenommenheit besteht. Voreingenommenheit und Befangenheit werden nach der Rechtsprechung angenommen, wenn Umstände vorliegen, die bei objektiver Betrachtung geeignet sind, Misstrauen in die Unparteilichkeit des Richters zu erwecken. Solche Umstände können in einem bestimmten Verhalten des betreffenden Richters oder in gewissen äusseren Gegebenheiten funktioneller und organisatorischer Natur begründet sein. Bei der Beurteilung solcher Umstände ist nicht auf das subjektive Empfinden einer Partei abzustellen. Das Misstrauen in die Unvoreingenommenheit muss vielmehr in objektiver Weise begründet erscheinen. Es müssen Umstände vorliegen, die bei objektiver Betrachtung den Anschein der Befangenheit und Voreingenommenheit erwecken. Für die Ablehnung wird dagegen nicht verlangt, dass der Richter tatsächlich befangen ist (<ref-ruling> E. 2.1 S. 229 mit Hinweisen).
5.2. Die Vorbringen des Beschwerdeführers genügen in weiten Teilen den qualifizierten Begründungsanforderungen nicht, da es sich um reine Mutmassungen und Behauptungen handelt. So bringt er beispielsweise vor, ein Polizist habe ihn grundlos auf den Oberschenkel geschlagen, es entspreche der allgemeinen Erfahrung, dass die Urteilsberatung spätestens eine Viertelstunde vor Öffnung des Saals beendet werde, die eigentliche Beratung habe höchstens 60 Minuten gedauert, oder er argumentiert, der Staatsanwaltschaft sei das Urteil im konkreten Fall bereits vor der Verhandlung bekannt gewesen. An der Sache vorbei gehen seine Ausführungen, soweit er sich allgemein zu den Umständen am Obergericht des Kantons Zürich äussert. So sollen die Urteile in Berufungsverfahren von den Referenten gemacht werden und diese den Parteien jeweils Prognosen erteilen.
5.3. Soweit darauf eingetreten werden kann, sind die Vorbringen des Beschwerdeführers unbegründet. Er schliesst aus der Dauer der Urteilsberatung und aufgrund des Datums des Haftbefehls, dass das Urteil der Vorinstanz bereits vor der Berufungsverhandlung feststand.
5.3.1. Bezüglich des Haftbefehls setzt sich der Beschwerdeführer nicht mit der Stellungnahme der Vorinstanz auseinander, welche diese im Haftbeschwerdeverfahren vor Bundesgericht einreichte. Die Vorinstanz führte nachvollziehbar aus, der Haftbefehl sei bereits am Vortag der Berufungsverhandlung entworfen worden, da mit einem Antrag auf Anordnung von Sicherheitshaft im Falle einer Verurteilung zu rechnen war. Durch das elektronische Texterstellungssystem sei das Datumsfeld auf der ersten Seite des Entwurfs automatisch ausgefüllt worden. Als der Haftbefehl nach der Urteilsberatung ausgefertigt wurde, sei das Datum auf der zweiten Seite korrekt eingetragen, jedoch versehentlich auf der ersten Seite nicht korrigiert worden. Die Polizei sei für den Fall einer Verhaftung bereits am Vortag aufgeboten worden. Dabei sei in Kauf genommen worden, dass die Polizisten allenfalls unnötigerweise aufgeboten würden. Dass die Vorinstanz Vorbereitungen traf, lässt nicht darauf schliessen, dass sie ihr Urteil zu diesem Zeitpunkt bereits gefällt hatte.
5.3.2. Hinsichtlich der Dauer der Urteilsberatung erklärte die Vorinstanz, praxisgemäss werde der vorläufige Urteilsantrag des Referenten in einer internen Beratung nicht verlesen, da er der Gerichtsbesetzung schon von der Verhandlungsvorbereitung bekannt sei. Diskutiert würden hauptsächlich Punkte, in denen abweichende oder geänderte Meinungen vorlägen, und neue Vorbringen aus der Verhandlung. Im Antrag des Referenten seien die aus dem erstinstanzlichen Verfahren und der Berufungserklärung bekannten Argumente des Verteidigers behandelt worden. Gleiches gelte für die prozessualen Anträge der Verteidigung, die absehbar gewesen oder vor der Verhandlung gestellt worden seien. Soweit sich das Gericht über die Beurteilung einig gewesen sei, habe sich eine Beratung über die Vorbringen erübrigt. Das Plädoyer der Verteidigung sei zwar ausführlich gewesen, der daraus resultierende zusätzliche Beratungsaufwand habe sich in Grenzen gehalten, da viele Vorbringen bekannt oder zu erwarten gewesen seien. Die Plädoyernotizen hätten während der Beratung nicht erneut verlesen werden müssen, weil die Gerichtsbesetzung sowohl mit dem Inhalt der schriftlich vorliegenden Plädoyers als auch den Akten vertraut gewesen sei und sich während des Verlesens entsprechende Notizen gemacht habe.
5.3.3. Das Bundesgericht hat das in der Schweiz weitverbreitete Referentensystem als verfassungsrechtlich zulässig beurteilt. Die vorläufige Meinungsbildung des Referenten und der darauf beruhende Antrag an die urteilende Kammer bringen für sich genommen keinerlei Voreingenommenheit zum Ausdruck und sind mit der Richtergarantie nach <ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK vereinbar (<ref-ruling> E. 2.3 S. 241 f.; Urteil 1P.687/2005 vom 9. Januar 2006 E. 7.1; je mit Hinweisen). Selbstverständlich kann es auch den beiden anderen Richtern nicht verwehrt sein, sich aufgrund der Akten eine vorläufige Meinung zu bilden, und diese untereinander auszutauschen. Massgebend ist, dass die Richter innerlich frei sind, aufgrund der in der Verhandlung vorgetragenen Argumente und der aufgenommenen Beweise zu einem anderen Ergebnis zu gelangen. Der Beschwerdeführer vermag nicht darzulegen, dass dies nicht der Fall war.
6.
Der Beschwerdeführer rügt mehrere Verletzungen des Rechts auf ein faires Verfahren und des rechtlichen Gehörs, namentlich das Recht auf Ladung von Zeugen gemäss Art. 6 Ziff. 1 und Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK sowie Art. 29 Abs. 1 und 2 BV. Die EMRK verleihe ihm den Anspruch, Fragen an die Belastungszeugin wie auch die Entlastungszeugen zu stellen. Der in der EMRK stipulierte Grundsatz der Unmittelbarkeit gebiete, dass die Richter die wichtigsten Beweismittel selbst abnähmen.
6.1. Der in Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK garantierte Anspruch des Beschuldigten, den Belastungszeugen Fragen zu stellen, ist ein besonderer Aspekt des Rechts auf ein faires Verfahren gemäss Art. 6 Ziff. 1 EMRK. Eine belastende Zeugenaussage ist grundsätzlich nur verwertbar, wenn der Beschuldigte wenigstens einmal während des Verfahrens angemessene und hinreichende Gelegenheit hatte, das Zeugnis in Zweifel zu ziehen und Ergänzungsfragen zu stellen. Der Beschuldigte muss in der Lage sein, die Glaubhaftigkeit einer Aussage zu prüfen und ihren Beweiswert in kontradiktorischer Weise auf die Probe und infrage zu stellen. Das kann entweder im Zeitpunkt, in welchem der Belastungszeuge seine Aussage macht, oder auch in einem späteren Verfahrensstadium erfolgen (<ref-ruling> E. 3.1 S. 41; Urteile 6B_670/2012 vom 15. Juli 2013 E. 4.3 und 6B_251/2012 vom 2. Oktober 2012 E. 2.3.2; je mit Hinweisen).
Das Recht auf Befragung von Entlastungszeugen ist hingegen relativer Natur. Das Gericht hat nur solchen Beweisanträgen zu folgen, die nach seiner Würdigung rechts- und entscheidungserheblich sind (<ref-ruling> E. 6c/cc S. 135 mit Hinweisen). Aus dem Anspruch auf rechtliches Gehör gemäss <ref-law> fliesst das Recht auf Abnahme aller Beweise, die sich auf Tatsachen beziehen, die für die Entscheidung erheblich sind (<ref-ruling> E. 2b S. 56). Das hindert das Gericht nicht, einen Beweisantrag abzulehnen, wenn es in willkürfreier Würdigung der bereits abgenommenen Beweise zur Überzeugung gelangt, der rechtlich erhebliche Sachverhalt sei genügend abgeklärt, und es überdies in willkürfreier antizipierter Würdigung der zusätzlich beantragten Beweise annehmen kann, seine Überzeugung werde dadurch nicht mehr geändert (<ref-ruling> E. 5.3 S. 148 mit Hinweisen; Urteil 6B_655/2012 vom 15. Februar 2013 E. 2.2).
Das mit den Grundsätzen der Öffentlichkeit und Mündlichkeit nach Art. 6 Ziff. 1 EMRK zusammenhängende Unmittelbarkeitsprinzip stellt keinen eigenständigen Verfassungsgrundsatz dar, sondern wird im Einzelnen durch das kantonale Verfahrensrecht umschrieben. Weder Bundesverfassung noch Menschenrechtskonvention räumen einen Anspruch auf schrankenlose Geltung des Unmittelbarkeitsprinzips ein (<ref-ruling> E. 6c/aa S. 134 mit Hinweisen; Urteil 6B_711/2010 vom 2. Dezember 2010 E. 2.3).
6.2. Der Beschwerdeführer setzt sich nicht mit diesen Grundsätzen auseinander bzw. legt nicht dar, inwiefern von diesen abgewichen werden sollte. So führt er einzig aus, die EMRK garantiere die Unmittelbarkeit, begründet jedoch nicht, dass und inwiefern die Vorinstanz kantonales Verfahrensrecht willkürlich angewendet hat. Diesbezüglich ist auf die Rüge nicht einzutreten.
Gleiches gilt, soweit der Beschwerdeführer die Abweisung des Antrags auf Einvernahme seiner beiden leiblichen Kinder rügt. Er stellte den Antrag anlässlich der Berufungsverhandlung, zog ihn jedoch noch während seiner mündlichen Begründung zurück (Urteil S. 70; kantonale Akten, act. 270 S. 21 und 35 ), womit er nicht beschwert ist.
6.3. Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz habe seinen Antrag auf Einvernahme seiner Ex-Frau und Mutter seiner Stieftochter zu Unrecht abgelehnt. Es gehe nicht nur darum, ob die damalige Ehefrau von den fraglichen Übergriffen etwas mitbekommen hätte. Auch das innerfamiliäre Beziehungsgeflecht sei zu klären.
Die Vorinstanz lehnt den Beweisantrag ab, weil der Beschwerdeführer nicht begründet habe, inwiefern eine erneute Befragung seiner Ex-Frau neue, dem Gericht nicht bereits bekannte und ihn entlastende Erkenntnisse liefern könnte. Sie habe bereits mehrfach ausgesagt, sie wisse nichts von einem Missbrauch (Urteil S. 12).
Der Beschwerdeführer setzt sich nicht mit der vorinstanzlichen Begründung auseinander und zeigt insbesondere nicht auf, dass und inwiefern sie willkürlich sein sollte. Auf die Rüge ist nicht einzutreten.
6.4. Ferner wendet sich der Beschwerdeführer gegen die Abweisung seines Antrags auf Einvernahme seiner Stieftochter. Weil ihre Aussagen die einzigen direkten Beweismittel darstellten, sei es unvermeidbar, dass sich das Gericht einen persönlichen Eindruck mache. Eine erneute Einvernahme dränge sich auf, weil ihre Aussagen widersprüchlich und lückenhaft seien. Eine Befragung seiner Stieftochter vor Gericht sei deshalb angezeigt, weil die Vorinstanz zum Schluss gelangte, ab dem 14. Dezember 2002 sei von einer einvernehmlichen sexuellen Beziehung auszugehen. Seine Stieftochter hätte dazu befragt werden müssen.
Die Vorinstanz erwägt, angesichts des klaren Beweisergebnisses könne darauf verzichtet werden, die Geschädigte nochmals zu befragen. Sie sei bereits sechsmal einvernommen worden, wobei die drei staatsanwaltschaftlichen Einvernahmen in Anwesenheit des Beschwerdeführers und seines Verteidigers stattgefunden hätten, und diesen das Recht gewährt worden sei, Ergänzungsfragen zu stellen. Zudem sei ein ausführliches psychiatrisches Gutachten über die Geschädigte erstellt worden, welches sich über ihre Persönlichkeit äussere (Urteil S. 69).
Die Stieftochter des Beschwerdeführers wurde am 10. März 2009, am 6. April 2009 und am 11. September 2009 von der Staatsanwaltschaft befragt. Der Beschwerdeführer (per Videoübertragung) und sein jeweiliger Anwalt (teilweise direkt, teilweise auf eigenen Wunsch per Videoübertragung) konnten alle drei Einvernahmen mitverfolgen. Am 6. April 2009 und am 11. September 2009 konnte der Beschwerdeführer Ergänzungsfragen stellen (kantonale Akten, act. 6/4-7). Zuvor wurde die Geschädigte dreimal polizeilich befragt (kantonale Akten, act. 6/1-3). Der Beschwerdeführer hatte ausreichend Gelegenheit, die Aussagen seiner Stieftochter in Zweifel zu ziehen und ihr Ergänzungsfragen zu stellen. Sein Konfrontationsrecht ist ebenso wenig verletzt wie sein Recht auf ein faires Verfahren. Ob Aussagen widersprüchlich und lückenhaft bzw. wie sie zu würdigen sind und zu welchem Schluss sie führen, ist eine Frage der Aussagen- bzw. Beweiswürdigung. Darauf ist zurückzukommen.
6.5. Schliesslich wendet sich der Beschwerdeführer gegen die Abweisung seines Antrags, seine Stieftochter sei aussagenpsychologisch begutachten zu lassen. Die Vorinstanz habe das Aussagetüchtigkeitsgutachten willkürlich und aktenwidrig interpretiert respektive umgedeutet und damit <ref-law> verletzt. Entgegen den Ausführungen der Vorinstanz äussere sich das Gutachten nur zur Aussagetüchtigkeit seiner Stieftochter im Zeitpunkt der Begutachtung (2012), nicht jedoch für den Zeitraum der fraglichen Übergriffe (2000-2004) und der Einvernahmen (2008-2011). Auch schliesse die momentane Aussagetüchtigkeit nicht aus, dass die Stieftochter in den Jahren 2000-2004 eine verzerrte Wahrnehmung gehabt habe.
6.5.1. Soweit der Beschwerdeführer die Verletzung von Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK rügt, ist darauf mangels genügender Substanziierung nicht einzutreten.
Mit dem Vorbringen, pathologische Persönlichkeitszüge seiner Stieftochter seien für den Zeitraum der behaupteten Übergriffe bis in das Jahr 2006 offenkundig, entfernt sich der Beschwerdeführer vom festgestellten Sachverhalt ohne Willkür darzutun. Gleiches gilt für die Behauptung, seine Stieftochter habe 13- oder 14-jährig begonnen, LSD und THC sowie Alkohol zu konsumieren. Die Veränderungen in ihren Lebensverhältnissen sind erst ab dem Selbstmordversuch am 10. Februar 2004 dokumentiert (Urteil S. 18 ff., kantonale Akten, act. 162 S. 22 ff., 60).
6.5.2. Das Prüfen der Glaubhaftigkeit von Aussagen ist Teil der Beweiswürdigung und gehört damit zum Aufgabenbereich des Gerichts. Eine Begutachtung durch eine sachverständige Person drängt sich nur bei besonderen Umständen auf. Dies ist etwa der Fall, wenn schwer interpretierbare Äusserungen eines Kleinkinds zu beurteilen sind, bei Anzeichen ernsthafter geistiger Störungen, welche die Aussageehrlichkeit des Zeugen beeinträchtigen könnten, oder wenn Anhaltspunkte dafür bestehen, dass der Zeuge durch Drittpersonen beeinflusst wird (vgl. <ref-ruling> E. 2.4 S. 184 mit Hinweisen). Dem Richter steht bei der Frage, ob aufgrund der konkreten Umstände eine Begutachtung notwendig ist oder nicht, ein Ermessensspielraum zu (Urteil 6B_681/2012 vom 12. März 2013 E. 3.2 mit Hinweis).
6.5.3. Die Vorinstanz gelangt gestützt auf das forensisch-psychiatrische Sachverständigengutachten vom 8. März 2012 zum Schluss, die Aussagetüchtigkeit des Opfers sei durch keine relevante Psychopathologie eingeschränkt. Das Gutachten beziehe sich nicht nur auf den gegenwärtigen Zeitpunkt, sondern auch auf die aussagerelevante Zeitspanne. Ob das Opfer wahrheitsgemäss ausgesagt habe, sei nicht Gegenstand des Gutachtens, sondern mittels Aussagenanalyse vom Gericht zu prüfen (Urteil S. 28). Eine psychische Störung, welche die Aussagequalität beeinflussen könnte, könne ausgeschlossen werden. Es bestünden keine Anzeichen, dass das Opfer aufgrund aussergewöhnlicher Umstände in seiner Wahrnehmungs-, Erinnerungs- oder Wiedergabefähigkeit beeinträchtigt und zur wahrheitsgemässen Aussage nicht fähig oder nicht willens sein könnte. Ein Glaubhaftigkeitsgutachten müsse nicht eingeholt werden (Urteil S. 70).
6.5.4. Gemäss dem Gutachten sind psychotische Phänomene nur massgebend, wenn plausibel nachgewiesene Symptomatik zu aussagerelevanten Zeitpunkten festgestellt werden müssten (kantonale Akten, act. 162 S. 61). "Aussagerelevante Zeitpunkte" seien Tatzeitpunkt, Anzeigezeitpunkt und Befragungszeitpunkte (a.a.O., S. 58). Das Opfer gebe an, der erste Übergriff habe zirka im Jahre 2001 stattgefunden. Eine Behandlung aufgrund relevanter psychischer Auffälligkeiten sei erst ab dem Jahr 2004 erfolgt. Wäre die Aussagetüchtigkeit für die Beschuldigung eines ersten sexuellen Übergriffs beeinträchtigt gewesen, müsste psychotische Symptomatik auch für diesen Zeitpunkt plausibel gemacht werden. Dies hätte der Sozialarbeiterin auffallen müssen, was nicht der Fall gewesen sei. Die Annahme von Aussageuntüchtigkeit für diesen aussagerelevanten Zeitpunkt (erste Übergriffe) sei daher nicht plausibel zu machen (a.a.O., S. 62). Als Zwischenfazit wurde festgehalten, es könne nicht plausibel belegt werden, dass beim Opfer zu aussagerelevanten Zeitpunkten (inkl. der Jahre 2004-2008) eine schwerwiegende psychische Störung im Sinne einer klassischen psychiatrischen Erkrankung überdauernd die Voraussetzungen der Aussagetüchtigkeit tangiert hätte (a.a.O., S. 63). Der Gutachter setzt sich in der Folge mit den Verdachtsdiagnosen der "artifiziellen Störung" und der "Pseudologia phantastica" auseinander (a.a.O., S. 63 ff.). Beim Opfer würden keinerlei Hinweise für eine "artifizielle Störung" und eine Persönlichkeitsstörung bestehen. Aus forensisch-psychiatrischer Sicht sei es nicht gerechtfertigt, über die Phänomene, die 2006 den Klinikaufenthalt prägten, die Aussagetüchtigkeit des Opfers infrage zu stellen (a.a.O., S. 65 ff.). Es spreche wenig dafür, dass während der jetzigen Begutachtung von Persönlichkeitszügen auszugehen sei, die im Sinne einer "Pseudologia phantastica" gewertet werden müssten. Für aussagerelevante Zeitpunkte sei ein solches Phänomen nicht mehr plausibel zu machen. Der Gutachter schloss, aus forensisch-psychiatrischer Sicht sei davon auszugehen, das Opfer sei zum jetzigen Zeitpunkt als psychisch unauffällige Zeugin zu behandeln. Bei der Beurteilung ihrer Aussagen seien allenfalls normalpsychologisch zu wertende Phänomene zu berücksichtigen (a.a.O., S. 70). Abschliessend führte der Gutachter aus, in der Phase der Stabilisierung (gemeint ist im Jahr 2008) sei es erstmals zu ausführlichen Aussagen zu Übergriffen durch den Beschwerdeführer gekommen. Es sei nicht plausibel zu machen, das Opfer habe zu diesem Zeitpunkt unter so bedeutsamer Psychopathologie gelitten, dass dadurch sein Aussageverhalten ungünstig beeinflusst worden wäre. Dies gelte auch für die Zeit des weiteren Verfahrens (a.a.O., S. 71).
6.5.5. Die vorinstanzliche Würdigung des Gutachtens, wonach das Opfer zu den aussagerelevanten Zeitpunkten aussagetüchtig war, ist nicht zu beanstanden. Gestützt auf die Ausführungen des Gutachters konnte die Vorinstanz willkürfrei davon ausgehen, dass die Aussagetüchtigkeit im Tatzeitpunkt, im Zeitpunkt der Anzeige und der Einvernahmen sowie im Begutachtungszeitpunkt durch keine relevante Psychopathologie eingeschränkt war. Dem Gutachter waren die Lebensgeschichte des Opfers und die Berichte der verschiedenen Institutionen, in welchen es sich aufgehalten hatte, bekannt. Er setzte sich damit auseinander und liess sie in seine Beurteilung einfliessen. Auch ging er davon aus, dass die Sozialarbeiterin psychotische Störungen beim Opfer bemerkt hätte. Demnach konnte die Vorinstanz eine verzerrte Wahrnehmung der Übergriffe ausschliessen. Da keine Anzeichen einer psychischen Störung beim Opfer bestanden, durfte sie den Antrag des Beschwerdeführers auf ein aussagenpsychologisches Gutachten abweisen, ohne ihr Ermessen zu überschreiten. Das rechtliche Gehör des Beschwerdeführers und sein Recht auf ein faires Verfahren sind nicht verletzt.
7.
Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz mehrfach willkürliche Beweiswürdigung vor (<ref-law>). Es lägen nicht genügend Aussagen des Opfers vor, um eine Aussagenwürdigung lege artis vorzunehmen. Ferner sei es willkürlich, von den beiden etwas detaillierter geschilderten Tatabläufen (Ziff. II.1 und IV.3 der Anklageschrift) auf die Glaubhaftigkeit der Aussagen bezüglich der übrigen Vorfälle zu schliessen, weil sie immer gleich abgelaufen seien. Aus dem Nachweis für ein Delikt könne nicht geschlossen werden, auch das andere sei begangen worden. Entgegen seinen Vorbringen habe es die Vorinstanz unterlassen, die Aussagen des Opfers zu den Anklageziffern II.1 und IV.3 zu analysieren. Sie erachte die Aussagen als glaubhaft, ohne diese hinsichtlich der beiden Tatabläufe gesondert untersucht zu haben. Sie lege nicht überzeugend dar, weshalb eine Falschaussage ausgeschlossen werden könne und prüfe die Glaubwürdigkeit des Opfers nicht. Indem sie sich nicht mit seinen Vorbringen anlässlich der Berufungsverhandlung auseinandergesetzt habe, verletze sie seinen Anspruch auf rechtliches Gehör (<ref-law>). Auch sein Recht auf ein faires Verfahren sei verletzt (<ref-law> und Art. 6 Ziff. 1 EMRK).
7.1. Die Vorinstanz würdigt die Aussagen des Opfers ausführlich (Urteil S. 29-69) und setzt sich dabei mit den Einwänden des Beschwerdeführers auseinander (z.B. Urteil S. 36, 38, 41 ff., 57 ff.). Im Hinblick auf die komplizierten Familien- und Wohnverhältnisse des Opfers widmet sie sich eingehend seiner biografischen Entwicklung (Urteil S. 16-22). Dabei verkennt sie nicht, dass es ein schlechtes Verhältnis zu seiner Mutter hatte, nach den Übergriffen mehrfach fremd platziert wurde, teilweise auf der Strasse lebte und Cannabis konsumierte sowie mehrfach mittels FFE hospitalisiert wurde.
Im Rahmen der Aussagenwürdigung gibt die Vorinstanz einleitend die Aussagen des Opfers zu allen Vorwürfen zusammengefasst wieder und bezeichnet diese als konstant, detailliert und in sich geschlossen. Insbesondere die Schilderungen des ersten Vorfalls deuteten auf ein erlebtes Ereignis hin. Die Aussagen seien authentisch, weshalb unbewusste Falschaussagen praktisch ausgeschlossen werden könnten. Aufgrund des nachlassenden Erinnerungsvermögens sei es keineswegs verwunderlich, dass die Darstellungen nicht in allen Einzelheiten präzis seien und das Mädchen die Geschehnisse zeitlich nicht genau habe einordnen können. Es sei bemüht gewesen, wahrheitsgemäss auszusagen. Hinsichtlich der übrigen Vorfälle schildere es ebenfalls aussergewöhnliche Details, welche ein Lügengebäude als unwahrscheinlich erscheinen liessen. Die weiteren sexuellen Übergriffe seien weniger detailliert beschrieben, weil diese immer gleich abgelaufen sein sollen. Den ersten Geschlechtsakt habe das Opfer in mehreren Einvernahmen detailliert und anschaulich geschildert. Die Vorinstanz setzt sich mit der Angabe der Stieftochter auseinander, wonach sich ihr Verhältnis zum Beschwerdeführer nach dem Auszug ihrer Mutter und ihrer Halbgeschwister im Dezember 2002 verändert habe, sie eine Art Doppelleben geführt habe und seine Geliebte gewesen sei. Sie habe veranschaulicht, wie sich eine Art Beziehung entwickelt habe. Das Opfer habe sehr differenziert sowie zurückhaltend ausgesagt und sei bemüht gewesen, den Beschwerdeführer nicht unnötig zu belasten. Die unstrukturierte Darstellung des Handlungsablaufs wertet die Vorinstanz als in hohem Masse glaubhaft und gegen ein Konstrukt sprechend. Sie zeigt auf, dass das Opfer eine lebensnahe und logisch nachvollziehbare Steigerung der Übergriffe beschrieben habe und zu weinen begann, als es von emotional sehr belastenden Situationen gesprochen habe. Schliesslich erachtet sie die Aussagen des Opfers von weiteren Erkenntnissen aus dem Beweisverfahren, insbesondere den Aussagen von verschiedenen Zeugen, als bestätigt (Urteil S. 29-41).
Nach der Würdigung der Aussagen des Beschwerdeführers und der Zeugen gelangt die Vorinstanz gestützt auf die glaubhaften Aussagen des Opfers zum Schluss, der angeklagte Sachverhalt sei erstellt. Zugunsten des Beschwerdeführers nimmt sie an, ab dem 14. Dezember 2002 habe eine eigentliche Paarbeziehung zwischen ihm und seiner Stieftochter bestanden, und es sei weder Gewalt noch psychischer Druck auf die Stieftochter ausgeübt worden, um sexuelle Handlungen zu erzwingen. Ferner sieht sie einen weiteren Übergriff als nicht erwiesen (Ziff. II.2 der Anklageschrift; Urteil S. 67-69).
7.2. Soweit der Beschwerdeführer sein Recht auf ein faires Verfahren über den Anspruch auf rechtliches Gehör hinausgehend als verletzt sieht, ist auf die Rüge mangels genügender Substanziierung nicht einzutreten.
Generell verkennt der Beschwerdeführer, dass das Bundesgericht keine Appellationsinstanz ist, die eine freie Prüfung in rechtlicher und tatsächlicher Hinsicht vornimmt. Insbesondere reicht für die Rüge einer willkürlichen Beweiswürdigung nicht aus, wenn der Beschwerdeführer allgemein gehaltene Ausführungen macht und sich nicht mit der vorinstanzlichen Begründung auseinandersetzt. Gleiches gilt, wenn er argumentiert, die vorinstanzliche Feststellung stelle eine "unverständliche, jedoch leicht zu überprüfende Aktenwidrigkeit" dar, sei "aktenwidrig und aus der Luft gegriffen" oder "die Faktenwidrigkeit ist evident", jedoch weitere Erklärungen schuldig bleibt.
7.3. Die Willkürrügen sind unbegründet. Aus der Aussagenanalyse der Vorinstanz ergibt sich, dass genügend Angaben des Opfers vorhanden waren, um diese zu analysieren. Sie führt willkürfrei aus, entgegen dem Argument der Verteidigung könne angesichts der Vielzahl der geschilderten, gleichartigen und repetitiven Übergriffe nicht erwartet werden, dass sich jeder einzelne in das Gedächtnis des Opfers eingebrannt hätte (Urteil S. 42 f.).
Die Vorinstanz gibt die Analyse der Aussagen des Opfers zu den detaillierter beschriebenen Vorfällen nicht vollständig wieder, hält jedoch deren Schlussfolgerungen fest. Dies führt nicht dazu, dass Letztere willkürlich sind. Der Beschwerdeführer müsste darlegen, dass bzw. inwiefern das vorinstanzliche Beweisergebnis schlechterdings unhaltbar ist. Er müsste aufzeigen, die Analyse der Aussagen des Opfers liessen keinen anderen Schluss zu, als dass sie nicht glaubhaft bzw. erfunden seien. Das gelingt ihm nicht. Die Schilderung der Stieftochter, wie es zum ersten Übergriff kam, ist sehr aussergewöhnlich. Sie berichtet von Interaktionen und beschreibt ihre Gefühle und Ängste. Sie gibt ihr Gespräch mit dem Beschwerdeführer wieder und fügt an, sie habe den Penis in der Hoffnung kurz berührt, sie könne danach gehen. Auch habe sie sich erkundigt, ob sie mit ihm schlafen müsse. Insbesondere ihre Angabe, wonach der Beschwerdeführer den Übergriff damit begründet habe, sie müsse wissen, was ein Orgasmus sei, wenn sie einen Freund haben wolle, lässt auf ein erlebtes Ereignis schliessen (Urteil S. 33 f.). Ihre Aussagen zum ersten Geschlechtsverkehr leitete sie damit ein, dass der Beschwerdeführer sie dazu habe verleiten wollen, mit ihm zu schlafen. Er habe ihr angeboten, Alcopops zu kaufen, damit sie nicht so verkrampft sei. Dabei handelt es sich wiederum um ein aussergewöhnliches Detail. Beim dritten Versuch habe er in sie eindringen können und habe sie dabei grob gehalten. Sie berichtet von Komplikationen, besonderen Umständen, Interaktionen und eigenen Gefühlen. Die von ihr wiedergegebene Aussage des Beschwerdeführers, wonach er keine Lust gehabt habe, weil sie nicht wollte, ist bemerkenswert (Urteil S. 30).
Die Vorinstanz verfällt nicht in Willkür, wenn sie die Aussagen des Opfers zu diesen beiden Vorfällen als glaubhaft erachtet. Entgegen der Beschwerde hat sich die Vorinstanz auch intensiv mit der Möglichkeit einer falschen Belastung auseinandergesetzt und diese willkürfrei ausgeschlossen (Urteil S. 44 f., 51 f.).
7.4. Angesichts des regelmässigen erheblichen und langjährigen Missbrauchs sowie des Zeitraums von mehreren Jahren seit der Tat bis zu den Aussagen (Handlungen von 2000-2004, Erstaussage am 11. November 2008) sind exakte Details in den Aussagen nicht zu erwarten. Das Opfer wies selbst auf gewisse Erinnerungslücken hin (Urteil S. 37). Weil die Übergriffe, abgesehen von der Steigerung in ihrer Intensität, stets gleich abgelaufen sein sollen, ist nicht erstaunlich, dass sich das Opfer nicht an jeden einzelnen Vorfall erinnern und diesen detailliert schildern kann. Auffällig wäre demgegenüber, wenn es jede Begebenheit zeitlich exakt einordnen und den Ablauf genau beschreiben könnte. In dieser speziellen Konstellation ist es nicht zu beanstanden, wenn die Vorinstanz die Opferaussagen in globo würdigt und nicht prüft, ob sie hinsichtlich jedes einzelnen Übergriffs glaubhaft sind. Weil sie von weiteren Beweismittel bestätigt werden, durfte die Vorinstanz die Aussagen des Opfers willkürfrei als glaubhaft bezeichnen und bei der Beweiswürdigung darauf abstellen.
Die Vorinstanz schliesst aufgrund der glaubhaften Aussagen des Opfers bezüglich der beiden detailliert beschriebenen Vorfälle nicht unbesehen darauf, dass alle Vorfälle wie in der Anklageschrift beschrieben vorgefallen sind. Bezüglich eines Ereignisses erachtet sie die Aussagen des Opfers als zu vage und sprach den Beschwerdeführer von diesem Anklagepunkt frei (Ziff. II.2 der Anklageschrift; Urteil S. 42, 69, 76). Ein weiterer Freispruch erfolgte bezüglich der Vorwürfe der mehrfachen Vergewaltigung und sexuellen Nötigung nach dem 14. Dezember 2002. Damit schafft die Vorinstanz jedoch keinen Widerspruch zu ihren Ausführungen, wonach die Aussagen des Opfers insgesamt glaubhaft seien (vgl. Beschwerde S. 81 f. Ziff. 2, S. 86 f. Ziff. 2 ff.). Der Freispruch wird nicht damit begründet, dass die Aussagen des Opfers qualitativ oder quantitativ unzulänglich gewesen wären (vgl. Beschwerde S. 88 Ziff. 7). Vielmehr würdigt die Vorinstanz die Aussagen des Opfers dahingehend, dass nach dem Auszug seiner Mutter und seiner Halbgeschwister aus seiner Sicht eine Liebesbeziehung zwischen ihm und dem Beschwerdeführer bestand. In rechtlicher Hinsicht kam die Vorinstanz zum Schluss, dass die sexuellen Handlungen ab diesem Zeitpunkt nicht mehr unter Anwendung physischer Gewalt oder Ausübung psychischen Drucks geschahen (Urteil S. 36, 68 f., 75 f.). Ob dieser Freispruch zurecht erfolgte, muss offengelassen werden. Der Beschwerdeführer legt nicht dar, inwiefern die Vorinstanz in Willkür verfällt, wenn sie die glaubhaften Aussagen des Opfers in der vorgenannten Weise würdigt.
7.5. Die Vorinstanz setzt sich im Rahmen der Aussagenwürdigung auch mit der Glaubwürdigkeit der Stieftochter und den weiteren Umständen auseinander. Sie legt deren biografische Entwicklung ausführlich dar, prüft die Möglichkeit einer Falschbelastung aus Rache und begründet einleuchtend, wieso seine Stieftochter trotz der Übergriffe beim Beschwerdeführer blieb. Das Verhältnis zu ihrer Mutter sei schwer gestört gewesen. Diese habe sie völlig abgelehnt, weshalb sie keine Alternative gehabt habe, als beim Beschwerdeführer zu bleiben. Sie habe stark unter dem Liebesentzug der Mutter gelitten und sich eine intakte Familie gewünscht. Der Stiefvater sei ihre wichtigste Bezugsperson gewesen (Urteil S. 52 ff.). Die Vorinstanz äussert sich auch zu den Vorbringen im Zusammenhang mit dem Tagebuch (Urteil S. 62 f.). Die relativ späte Anzeigeerstattung im Jahr 2008 erachtet sie als nachvollziehbar und die Erklärung des Opfers als glaubhaft. Es habe einen langwierigen Prozess durchlaufen und sich zur Anzeige entschlossen, als sich seine Situation stabilisiert habe. Jedoch habe es bereits zuvor gegenüber verschiedenen Personen von den sexuellen Übergriffen berichtet bzw. diese angedeutet (Urteil S. 46 ff.). Gestützt auf das forensisch-psychiatrische Gutachten schliesst sie eine psychische Störung des Mädchens aus. Von einer eingehenden Analyse der Glaubwürdigkeit des Opfers durfte die Vorinstanz deshalb willkürfrei absehen.
7.6. Die Rüge des Beschwerdeführers, die Vorinstanz verletze seinen Anspruch auf rechtliches Gehör, indem sie sich nicht mit seinen Vorbringen befasste, ist unbegründet. Gemäss <ref-law> muss sich die Begründung nicht mit allen Parteistandpunkten einlässlich auseinandersetzen und jedes einzelne Vorbringen ausdrücklich widerlegen. Sie muss kurz die wesentlichen Überlegungen nennen, von denen sich das Gericht hat leiten lassen und auf die es seinen Entscheid stützt (<ref-ruling> E. 2.2 S. 84). Die Vorinstanz hat die Einwände des Beschwerdeführers ausreichend erörtert und erklärt, weshalb sie diese für nicht stichhaltig erachte (Urteil S. 36, 38, 41 ff., 57 ff.). Aus der Beschwerde ergibt sich, dass er über die notwendigen Informationen verfügte, um das Urteil anzufechten.
8.
Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann.
Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist wegen Aussichtslosigkeit abzuweisen (<ref-law>). Der Beschwerdeführer hat die bundesgerichtlichen Kosten zu tragen (<ref-law>). Seine finanzielle Situation ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten zu berücksichtigen (<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. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4.
Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 4. November 2013
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Andres