Sachverhalt: A. Der 1951 geborene S._ arbeitete bei der Firma Y._, als er sich am 17. Oktober 2002 bei einem Sturz von einem Gerüst eine stabile LWK II Fraktur, eine Commotio cerebri mit einer Stammganglien-Einblutung rechts und eine Ellbogenkontusion links zuzog. Am 15. September 2003 meldete er sich bei der Invalidenversicherung zum Leistungsbezug an. Die IV-Stelle des Kantons Zürich zog medizinische Unterlagen und insbesondere die Akten der Schweizerischen Unfallversicherungsanstalt (SUVA) bei, welche als obligatorische Unfallversicherung Leistungen erbrachte und dem Versicherten mit Verfügung vom 24. November 2006 nebst einer Integritätsentschädigung eine - letztinstanzlich bestätigte - Invalidenrente von 26 % gewährte. Im Weiteren liess die IV-Stelle S._ beim Institut D._, polydisziplinär begutachten (Expertise vom 15. Oktober 2008). Mit Verfügung vom 15. Januar 2009 sprach sie dem Versicherten rückwirkend eine vom 1. Oktober 2003 bis 30. November 2006 befristete ganz Invalidenrente zu. Ab Dezember 2006 betrage der Invaliditätsgrad noch 26 %, weshalb kein Anspruch auf eine Rente der Invalidenversicherung mehr bestehe. B. Die dagegen erhobene Beschwerde wies das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich ab (Entscheid vom 17. August 2010). C. S._ lässt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten führen und sinngemäss beantragen, es sei ihm in Aufhebung des vorinstanzlichen Entscheides eine ganze Rente zuzusprechen; eventualiter sei die Sache zu neuer Prüfung zurückzuweisen. In prozessualer Hinsicht lässt er um die Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege ersuchen Auf die Durchführung eines Schriftenwechsels wurde verzichtet.