Sachverhalt: A. X._ (1968) und Y._ (1963) lernten sich 1997 kennen. Sie heirateten im Dezember 2000. Seit Mai 2005 leben sie getrennt. Aus der Ehe gingen die beiden Kinder A._ (2001) und B._ (2004) hervor. Beide Parteien wohnen mit einem neuen Partner zusammen, der je zwei eigene Kinder in die Partnerschaft brachte. A._ und B._ wohnen abwechselnd in der Patchwork-Familie des Vaters und der Mutter, in der letzten Zeit wegen des Schulortes von A._ jedoch etwas mehr beim Vater. B. Im Rahmen des Scheidungsverfahrens gaben beide Parteien am Aussöhnungsversuch vom 6. September 2007 bekannt, dass nur die Kinderzuteilung strittig sei. Mit Gesuch um Erlass vorsorglicher Massnahmen gemäss Art. 137 ZGB beantragten beide Elternteile die alleinige Zuteilung der bislang wechselweise ausgeübten Obhut über A._ und B._ während des Scheidungsverfahrens. Gestützt auf ein kinderpsychologisches Gutachten vom 29. Mai 2008 und das Ergänzungsgutachten vom 25. August 2008 stellte der Gerichtspräsident C._ des Gerichtskreises D._ die Kinder mit Entscheid vom 5. Januar 2009 für die Dauer des Scheidungsverfahrens unter die Obhut der Mutter. Das Obergericht des Kantons Bern bestätigte diese Anordnung mit Entscheid vom 27. Februar 2009. C. Der Vater hat gegen diesen Entscheid am 31. März 2009 Beschwerde in Zivilsachen erhoben, im Wesentlichen mit den Begehren, die Kinder seien in dessen Aufhebung vorläufig unter seine Obhut zu stellen, unter Erteilung eines (näher ausgeführten) Besuchsrechts an die Mutter und Verpflichtung derselben zu monatlichen Unterhaltsbeiträgen von Fr. 500.-- pro Kind. Mit Präsidialverfügung vom 15. April 2009 wurde der Beschwerde die aufschiebende Wirkung erteilt. In ihrer Vernehmlassung vom 20. April 2009 verlangt die Mutter die Abweisung der Beschwerde, soweit darauf einzutreten sei. Das Obergericht hat auf eine Vernehmlassung verzichtet. Beide Parteien verlangen die unentgeltliche Rechtspflege.