Sachverhalt: A. Am 15. Juli 1999 erhob die Bezirksanwaltschaft Bülach gegen X._ Anklage u.a. wegen mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern sowie wegen mehrfacher sexueller Nötigung. Diesen Vorwürfen liegt im Wesentlichen der folgende Sachverhalt zu Grunde: Im Zeitraum vom Mai 1997 bis zum 1. Juli 1997 habe der Angeklagte X._ zu nicht mehr bestimmbaren Gelegenheiten und an nicht mehr bestimmbaren Tagen, jedoch mehrmals und oft über mehrere Tage hinweg, die Brüder A._ (geb. am 1. August 1989) und B._ (geb. am 12. September 1988) zu sich in die Wohnung genommen, wobei die beiden Knaben jeweils bei ihm übernachtet hätten. Dies sei - zumindest bis zur Klinikeinweisung der Mutter im Juni 1997 - in ihrem Einverständnis erfolgt. Dabei sei es zu einer Vielzahl von sexuellen - im Einzelnen nicht mehr bestimmbaren - Handlungen gekommen, wobei der Angeklagte die beiden Knaben unter Anwendung von Gewalt und durch psychischen Druck jeweils zum Widerstand unfähig gemacht habe. Mit Urteil des Bezirksgerichts Bülach vom 28. Oktober 1999 wurde X._ u.a. der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern sowie der mehrfachen sexuellen Nötigung schuldig gesprochen und mit 6 1⁄2 Jahren Zuchthaus bestraft; zudem wurde die Verwahrung angeordnet. Auf Berufung hin entschied das Obergericht des Kantons Zürich am 27. Juni 2000, es seien noch weitere Beweise abzunehmen und die Sache sei an die Vorinstanz zur Neubeurteilung zurückzuweisen. Mit Urteil vom 15. November 2001 bestätigte das Bezirksgericht Bülach im Wesentlichen sein erstes Urteil und reduzierte lediglich die ausgesprochene Freiheitsstrafe auf 6 Jahre Zuchthaus. B. Auf erneute Berufung von X._ hin sprach ihn das Obergericht des Kantons Zürich mit Urteil vom 16. Mai 2002 von der Anklage der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern und der mehrfachen sexuellen Nötigung frei, verurteilte ihn aber wegen anderer Delikte zu 18 Monaten Gefängnis. Zur Begründung führte das Obergericht im Wesentlichen aus, die Aussagen von A._ und B._ seien nicht verwertbar, weil der Angeklagte ihnen keine Ergänzungsfragen stellen konnte; der Mangel lasse sich auch nicht mehr beheben, da eine erneute Befragung nach so langer Zeit und aufgrund von Sekundäreinflüssen keine zuverlässigen und schlüssigen Resultate mehr erbringen könnte. Und selbst wenn von einer Verwertbarkeit der Aussagen auszugehen wäre, liessen sich Zweifel nicht ausräumen, da die Kinder zahlreichen und vielschichtigen Sekundäreinflüssen und suggestiven Fragen ausgesetzt gewesen seien. Es wäre daher ein Gutachten zum Aussageverhalten erforderlich gewesen. Ein solches könne aber nach beinahe fünf Jahren nicht mehr zu einem schlüssigen Ergebnis führen. Auf Nichtigkeitsbeschwerde der Staatsanwaltschaft und der Geschädigten hin hob das Kassationsgericht des Kantons Zürich das Urteil des Obergerichts mit Beschluss vom 22. August 2003 auf und wies die Sache zur Neubeurteilung an das Obergericht zurück. Das Kassationsgericht bestätigte zwar, dass mangels der Möglichkeit des Angeklagten, den Zeugen Ergänzungsfragen zu stellen, deren Aussagen nicht verwertbar seien; doch könne eine Beweisergänzung willkürfrei nicht abgelehnt werden, weil antizipiert nicht ausgeschlossen werden könne, dass sich die Zeugen erinnern und glaubhafte Aussagen machen würden, was auch ihre früheren Aussagen in einem anderen Licht erscheinen lassen könnte; ebenso wenig lasse sich, bevor die Kinder noch einmal ausgesagt hätten, der Beweiswert eines Gutachtens ausschliessen. C. Nach Durchführung einer (weiteren) Befragung der beiden Kinder und Einholung eines aussageanalytischen Gutachtens sowie eines ergänzenden psychiatrischen Gutachtens über den Angeklagten sprach das Obergericht des Kantons Zürich mit Urteil vom 11. Dezember 2006 X._ der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern, der mehrfachen sexuellen Nötigung sowie der mehrfachen Freiheitsberaubung schuldig (auf weitere Anklagepunkte trat es infolge Eintritts der Verjährung nicht ein oder bestätigte den Freispruch des Bezirksgerichts) und bestrafte ihn mit Zuchthaus von fünf Jahren, unter Anrechnung von 1771 Tagen Untersuchungs- und Sicherheitshaft. Zudem ordnete das Obergericht eine ambulante Massnahme an und schob den Freiheitsentzug zu diesem Zwecke auf. Eine Nichtigkeitsbeschwerde gegen dieses Urteil wies das Kassationsgericht des Kantons Zürich mit Beschluss vom 2. April 2008 ab, soweit es darauf eintrat. D. X._ reichte am 9. Mai 2008 beim Bundesgericht Beschwerde in Strafsachen ein. Die Beschwerde richtet sich sowohl gegen den Beschluss des Kassationsgerichts vom 2. April 2008 als auch gegen das Urteil des Obergerichts vom 11. Dezember 2006. Er beantragt, die beiden Entscheide aufzuheben und die Sache zur Neubeurteilung an das Obergericht zurückzuweisen. Zudem beantragt er die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. E. Vernehmlassungen hat das Bundesgericht nicht eingeholt.