Sachverhalt: A. Der türkische Staatsangehörige X._ (geb. 1974) reiste am 16. März 2002 in die Schweiz ein und heiratete am 18. Juni 2002 die aus China stammende Schweizer Bürgerin Y._ (geb. 1966), die er am 22. April 2002 auf einem Spaziergang kennen gelernt hatte. Gestützt auf die Heirat wurde ihm eine Aufenthaltsbewilligung (letztmals verlängert bis zum 17. Juni 2005) zum Verbleib bei der Ehefrau erteilt. Am 3. August 2004 meldete sich die Ehegattin am ehelichen Wohnsitz in Dietikon ab und zog nach Luzern. Die eheliche Gemeinschaft wurde nach Angabe der Ehegattin bereits im November 2002 und nach Auskunft von X._ im April 2004 bzw. erst Mitte 2005 aufgegeben. B. Mit Verfügung vom 4. Mai 2006 wies die Sicherheitsdirektion (Migrationsamt) des Kantons Zürich das Gesuch von X._ vom 19. Juli 2005 um Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung ab und setzte ihm eine Frist zum Verlassen des Kantonsgebiets. Dagegen erhob X._ am 8. Juni 2006 Rekurs an den Regierungsrat des Kantons Zürich. Am 31. Januar 2007 teilte X._ der Staatskanzlei mit, er habe mit seiner Ehefrau in Zürich eine gemeinsame Wohnung bezogen. Polizeiliche Abklärungen ergaben jedoch, dass die Ehegattin nur der Form halber beim Ehemann angemeldet war und dieser ihren tatsächlichen Aufenthaltsort nicht kannte. Am 8. November 2007 stellte X._ ein Eheschutzbegehren, worauf das Bezirksgericht Zürich den Eheleuten mit Verfügung vom 28. Januar 2008 das Getrenntleben gerichtlich bewilligte. C. Mit Beschluss vom 12. November 2008 wies der Regierungsrat den Rekurs gegen die Verweigerung der Bewilligungsverlängerung wegen rechtsmissbräuchlicher Berufung auf eine nur noch formell bestehende Ehe ab. Dagegen beschwerte sich X._ erfolglos beim Verwaltungsgericht des Kantons Zürich. D. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 25. Mai 2009 beantragt X._, den Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 25. März 2009 aufzuheben und die Aufenthaltsbewilligung wenigstens für die laufende Einjahresperiode zu verlängern. Zudem stellt er die Begehren, die unentgeltliche Prozessführung zu gewähren, der Beschwerde aufschiebende Wirkung zu erteilen und eine Frist für den Nachweis der Bedürftigkeit einzuräumen. Die Staatskanzlei des Kantons Zürich - im Auftrag des Regierungsrates - und das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich beantragen, die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf einzutreten sei. Das Bundesamt für Migration schliesst auf Abweisung der Beschwerde. E. Mit Verfügung vom 28. Mai 2009 hat der Präsident der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung der Beschwerde aufschiebende Wirkung zuerkannt.