Sachverhalt: A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 20. August 2009 wegen vorsätzlicher Tötung (Art. 111 StGB) und Vergehens gegen das Waffengesetz (Art. 33 Abs. 1 lit. a WG) schuldig. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von 14 Jahren und ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Behandlung im Sinne von Art. 63 StGB an. B. Die von X._ gegen dieses Urteil erhobene kantonale Nichtigkeitsbeschwerde wies das Kassationsgericht des Kantons Zürich am 7. März 2011 ab, soweit es darauf eintrat. C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit dem Antrag, das Urteil des Obergerichts vom 20. August 2009 im Strafpunkt aufzuheben und ihn mit 10 Jahren und 10 Monaten Freiheitsentzug zu bestrafen. Eventualiter sei die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. D. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.