Sachverhalt: A. A._ (Beschwerdeführer) ist Fotograf. Er machte im Jahr 1978 von dem am 11. Mai 1981 verstorbenen Reggae-Sänger Bob Marley anlässlich eines Konzerts in Santa Barbara, Kalifornien, eine Fotografie. Diese Fotografie wurde vom Beschwerdeführer unter Umständen, die zwischen den Parteien streitig sind, der Y._ AG übergeben und bei deren Niederlassung in London, der Y._ London, archiviert. Später übernahm die Z._ Ltd. die Y._ London und damit auch deren Archiv. In der Folge überliess die Z._ Ltd. die Fotografie der X._ AG (Beschwerdegegnerin) mit Sitz im Kanton Zürich zur Herstellung von Postern. B. B.a Im September 2000 erhob der Beschwerdeführer beim Obergericht des Kantons Zürich Klage gegen die Beschwerdegegnerin mit den folgenden Rechtsbegehren: "1. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei zu verpflichten, gegenüber dem Kläger [Beschwerdeführer] bekanntzugeben und offen zu legen: 1.1 Die Höhe der Druckauflage des von der Beklagten [Beschwerdegegnerin] weltweit angebotenen Posters "Bob Marley", hergestellt ab dem 1978 entstandenen Foto des Klägers [Beschwerdeführers]; 1.2 den Herstellungs- sowie den Verkaufspreis pro Exemplar dieses Posters; 1.3 weitere Verwendungen des Fotos des Klägers [Beschwerdeführers] durch die Beklagte [Beschwerdegegnerin] z.B. als Postkarte, Buchillustration, Zeitungsillustration sowie in den elektronischen Medien; 1.4 die Höhe der jeweiligen Druckauflage der einzelnen, von der Beklagten [Beschwerdegegnerin] noch nachzuweisenden Verwendungsarten; 1.5 den jeweiligen Herstellungs- und Verkaufspreis pro Exemplar der einzelnen, von der Beklagten [Beschwerdegegnerin] noch nachzuweisenden Verwendungsarten; 1.6 Namen und Adressen der von ihr belieferten Wiederverkäufer und Internet-Anbieter; 1.7 alle Gewinne, die mit dem vom Foto des Klägers [Beschwerdeführers] hergestellten Poster sowie anderen Verwendungsarten erzielt wurden. 2. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei zu verpflichten, 2.1 dem Kläger [Beschwerdeführer] eine Lizenzgebühr von mindestens 10 % des Verkaufspreises pro gedrucktem Exemplar des Posters und anderer, durch die Beklagte [Beschwerdegegnerin] nachzuweisender Verwertungsarten zu entrichten; 2.2 den bisher erzielten Gewinn aus der gesamten Nutzung des Werkes des Klägers [Beschwerdeführers] an den Kläger [Beschwerdeführer] herauszugeben. 3. Eventualiter sei die Beklagte [Beschwerdegegnerin] zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] für die unberechtigte Nutzung seines Werkes für die verschiedenen Verwendungsarten auf der Basis "Preisempfehlung für Bildhonorare der Schweizerischen Arbeitsgemeinschaft der Bildagenturen und -archive" (nach vorläufiger Berechnung, ohne Verletzerzuschlag) im Betrag von Fr. 57'342.50 angemessen zu entschädigen. 4. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei weiter zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] eine angemessene Entschädigung gemäss vorläufiger Berechnung in Höhe von mindestens Fr. 3'648.-- wegen widerrechtlicher Verwendung im Internet zu entrichten. 4.1 Für die definitive Berechnung seien die entsprechenden Tarife der Verwertungsgesellschaft ProLitteris, Zürich, beizuziehen. 5. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei ebenfalls zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] 5 % Zins, berechnet vom Datum der Geltendmachung seiner Ansprüche mit Brief vom 18. Mai 1999 zu zahlen. 6. Es sei festzustellen, dass der Kläger [Beschwerdeführer] in seinen urheberpersönlichkeitsrechtlichen Verhältnissen verletzt worden ist; nämlich in seinem Recht auf Anerkennung der Urheberschaft durch Unterdrückung seines Namens als Urheber des Fotos, sowie in seinem ausschliesslichen Recht, darüber zu bestimmen, ob, wann und wie das Werk geändert werden kann, wie etwa durch (hier: unbefugten Eingriff mittels) Kolorierung. 7. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] für diese Verletzung in seinen urheberpersönlichkeitsrechtlichen Verhältnissen unter dem Titel der Genugtuung den Betrag von Fr. 2'000.-- zu entrichten. 8. Es sei der Beklagten [Beschwerdegegnerin] zu verbieten, Veröffentlichungen ab dem Foto des Klägers [Beschwerdeführers] ohne dessen Einverständnis und ohne Nennung seines Namens in gedruckten oder in elektronischen Medien zu publizieren oder publizieren zu lassen. 9. Vorsorglich wird der Antrag gestellt, einen Sachverständigen beizuziehen zur Bestimmung des Ur- und des Reproduktionsnegativs. Alles unter Kosten- und Entschädigungsfolge zulasten der Beklagten [Beschwerdegegnerin]." Am 13. März 2003 wies das Obergericht die Klage ab mit der Begründung, der Fotografie des Beschwerdeführers komme keine Werkqualität im Sinne von Art. 2 URG zu. Der Beschwerdeführer erhob dagegen eidgenössische Berufung an das Bundesgericht. Dieses hiess mit Urteil 4C.117/2003 vom 5. September 2003 (= BGE 130 III 168) die Berufung teilweise gut, hob das Urteil des Obergerichts vom 13. März 2003 auf und wies die Streitsache zur Neubeurteilung im Sinne der Erwägungen an die Vorinstanz zurück. Das Bundesgericht hielt dafür, die vom Beschwerdeführer aufgenommene Fotografie stelle ein urheberrechtlich geschütztes Werk im Sinne von Art. 2 URG dar. B.b Nach Durchführung eines - einstweilen auf die Frage der Urheberrechtsverletzung beschränkten - Beweisverfahrens wies das Obergericht die Klage des Beschwerdeführers mit Urteil vom 29. Januar 2009 erneut ab. Gegen dieses Urteil erhob der Beschwerdeführer kantonale Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht des Kantons Zürich, das die Beschwerde mit Zirkulationsbeschluss vom 26. Juli 2010 abwies, soweit es darauf eintrat. C. Der Beschwerdeführer beantragt dem Bundesgericht mit Beschwerde in Zivilsachen, das Urteil des Obergerichts vom 29. Januar 2009 aufzuheben und im Sinne der Erwägungen zur Beurteilung der gestellten Rechtsbegehren an die Vorinstanz zurückzuweisen. Die Beschwerdegegnerin beantragt, auf die Beschwerde nicht einzutreten, eventuell die Beschwerde abzuweisen. Die Vorinstanz verzichtete auf eine Vernehmlassung.