Sachverhalt: A. A.a Gemäss Anklageschrift der Staatsanwaltschaft Limmattal/Albis vom 19. August 2005 wird X._ vorgeworfen, am 11. Dezember 2003 um ca. 21 Uhr vor seinem Wohnhaus an der D._-Strasse 3 in E._ mit einer Pistole (9 mm) aus einer Entfernung von ungefähr 10 bis 15 Metern mehrmals auf C._ geschossen zu haben. Dieser sei tödlich verletzt worden, was X._ beabsichtigt oder zumindest in Kauf genommen habe. Zudem habe er A._, die in unmittelbarer Nähe von C._ Deckung gesucht habe, einer unmittelbaren Lebensgefahr ausgesetzt. X._ habe in der Folge mit einer zweiten Faustfeuerwaffe von der Liegenschaft D._-Strasse 5 aus einer Distanz von ungefähr 30 bis 40 Metern nochmals viermal auf A._ und den schwer verletzten C._ geschossen. Er habe diese nicht getroffen. Jedoch habe er gewusst, dass er abgesehen von diesen beiden Personen weitere Passanten einer unmittelbaren Lebensgefahr ausgesetzt habe. Ein in einer Entfernung von rund 50 Metern vorbeifahrender Personenwagen - nicht aber dessen Insassen - sei getroffen worden. A.b Das Geschworenengericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 21. Januar 2006 wegen vorsätzlicher Tötung, mehrfacher Gefährdung des Lebens, Vergehens gegen das Waffengesetz und grober Verletzung von Verkehrsregeln zu einer Zuchthausstrafe von 16 Jahren und verwies ihn lebenslänglich aus dem Gebiet der Schweiz. Das Kassationsgericht des Kantons Zürich hiess mit Beschluss vom 18. Juni 2007 eine von X._ gegen das Urteil des Geschworenengerichts erhobene Nichtigkeitsbeschwerde gut, hob das Urteil auf und wies die Sache zur Neubeurteilung an die erste Instanz zurück. Es gelangte zum Schluss, das Geschworenengericht sei aufgrund einer willkürlichen Beweiswürdigung zum Ergebnis gekommen, es sei rechtsgenügend erstellt, dass X._ auch vom Standort Liegenschaft D._-Strasse 5 aus geschossen habe. A.c Das Geschworenengericht ergänzte das Beweisverfahren. Gemäss der in der Folge abgeänderten Anklageschrift der Staatsanwaltschaft Limmattal/Albis vom 9. Mai 2008 schoss ein unbekannt gebliebener Mittäter von X._ vom Standort D._-Strasse 5 aus und setzte dadurch die anwesenden Personen einer unmittelbaren Lebensgefahr aus. Am 2. September 2008 verurteilte das Geschworenengericht X._ gestützt auf den in der abgeänderten Anklageschrift dargestellten Sachverhalt wegen vorsätzlicher Tötung, mehrfacher Gefährdung des Lebens, Vergehens gegen das Waffengesetz und grober Verletzung von Verkehrsregeln zu einer Freiheitsstrafe von 15 Jahren und 9 Monaten. B. Das Kassationsgericht des Kantons Zürich wies die Nichtigkeitsbeschwerde von X._ gegen das Urteil des Geschworenengerichts vom 2. September 2008 mit Zirkulationsbeschluss vom 3. September 2009 ab, soweit es darauf eintrat. C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, die Urteile des Geschworenengerichts vom 21. Januar 2006 und vom 2. September 2008 sowie der Zirkulationsbeschluss des Kassationsgerichts vom 3. September 2009 seien aufzuheben und die Sache sei im Sinne der Erwägungen an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er stellt ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. D. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.