Sachverhalt: A. A.a Das Amtsgericht Solothurn-Lebern verurteilte X._ am 13. Mai 2008 wegen mehrfacher Vergewaltigung zum Nachteil von A._, mehrfacher Förderung der Prostitution, teilweise gemeinsam begangen mit Y._, R._ und S._, mehrfachen Erleichterns des rechtswidrigen Aufenthalts mit Bereicherungsabsicht und mehrfacher Beschäftigung von Ausländern ohne Bewilligung zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 3 1⁄2 Jahren, einer Geldstrafe von 21 Tagessätzen zu Fr. 30.-- und einer Busse von Fr. 180.--. Zudem widerrief es die mit Verfügung des Departements des Innern am 25. November 2005 gewährte bedingte Entlassung von X._ aus dem Strafvollzug für eine Reststrafe von 235 Tagen. Von den Vorwürfen des mehrfachen und gewerbsmässigen Menschenhandels sowie in weiteren Anklagepunkten sprach es ihn frei. X._ und die Staatsanwaltschaft appellierten gegen dieses Urteil. A.b Das Obergericht des Kantons Solothurn sprach X._ am 7. September 2009 wegen Menschenhandels hinsichtlich B._ und C._, gemeinsam begangen mit Y._, sowie, in Bestätigung des erstinstanzlichen Urteils, wegen mehrfacher Vergewaltigung und mehrfacher Förderung der Prostitution schuldig. Vom Vorwurf des (gewerbsmässigen) Menschenhandels, evtl. des versuchten Menschenhandels hinsichtlich weiterer Personen sprach es ihn frei. Die übrigen Schuld- bzw. Freisprüche erwuchsen unangefochten in Rechtskraft. Das Obergericht verurteilte X._ zu einer Freiheitsstrafe von 4 1⁄2 Jahren, einer Geldstrafe von 30 Tagessätzen zu Fr. 20.-- und einer Busse von Fr. 400.--. Es bestätigte den Widerruf der bedingten Entlassung aus dem Strafvollzug für die Reststrafe von 235 Tagen. B. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, ihn vom Vorwurf des Menschenhandels und der mehrfachen Vergewaltigung freizusprechen und die Angelegenheit zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. C. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.