Fatti: A. A._, cittadino tunisino, si è sposato il 22 aprile 2005 con B._, cittadina svizzera. Egli ha quindi ottenuto un permesso di dimora nel nostro Paese, rinnovato alla sua scadenza fino al 21 aprile 2007. Dall'unione è nata C._ la quale, l'11 aprile 2006, è stata collocata in esternato presso X._. I coniugi si sono separati di fatto a due riprese, cioè dal 19 novembre al 15 dicembre 2006 e poi da gennaio a giugno 2007. Nell'ambito della seconda separazione il marito ha ottenuto un diritto di visita sorvegliato nei confronti della figlia. Preso atto della situazione la Sezione dei permessi e dell'immigrazione del Cantone Ticino ha rifiutato, il 4 maggio 2007, di rinnovare il permesso di dimora di A._, decisione annullata su ricorso il 3 luglio 2007 dal Consiglio di Stato, in seguito alla ripresa della convivenza. L'autorizzazione di soggiorno è stata quindi rinnovata fino al 2 luglio 2008 alla condizione che l'interessato viva in comunione domestica con la moglie, che si occupi della figlia e che tenga un comportamento irreprensibile. Dopo essere stato allontanato dall'abitazione coniugale per avere maltrattato la moglie, A._ è stato condannato il 2 aprile 2008 alla pena pecuniaria di fr. 1'500.-- (ossia 50 aliquote di fr. 30.--), sospesa condizionalmente con un periodo di prova di 2 anni, e a una multa di fr. 200.-- per ripetuta minaccia e vie di fatto nei confronti della consorte. Nel frattempo, cioè il 25 marzo 2008, il Pretore del Distretto di Lugano ha autorizzato la coppia a vivere separata, ha affidato C._ alla madre e ha accordato un diritto di visita al padre; non disponendo questi di entrate finanziarie non è stato tuttavia fissato alcun contributo alimentare in favore della figlia. Sentito il 17 ottobre 2008 dalla polizia cantonale A._ ha dichiarato, tra l'altro, di avere cessato definitivamente la convivenza nel corso del mese di maggio 2008 in seguito all'ennesima discussione. Ha poi aggiunto di essere a carico dell'assistenza, motivo per cui non poteva versare gli alimenti alla figlia e di beneficiare nei suoi confronti di un diritto di visita di un giorno alla settimana per un'ora e mezza sotto sorveglianza. B. Il 27 ottobre 2008 la Sezione dei permessi e dell'immigrazione ha rifiutato di rinnovare il permesso di dimora di A._ e gli ha fissato un termine al 31 dicembre 2008 per lasciare il Cantone. Ha rilevato, in sostanza, che l'interessato non viveva più con la moglie e che, essendo stato condannato penalmente, non aveva rispettato una delle condizioni impostegli il 3 luglio 2007. La decisione è stata confermata su ricorso dapprima dal Consiglio di Stato, il 4 febbraio 2009, e poi dal Tribunale amministrativo del Cantone Ticino in data 27 aprile 2009. C. Il 5 giugno 2009 A._ ha presentato dinanzi al Tribunale federale un ricorso, con cui chiede che la sentenza cantonale sia annullata e che venga rinnovato il suo permesso di dimora. Adduce, in sostanza, la violazione degli art. 50 cpv. 1 let. b LStr, 8 CEDU e 10 cpv. 1 della Convenzione sui diritti dei fanciulli nonché del principio della proporzionalità. Postula inoltre il beneficio dell'assistenza giudiziaria nel senso di essere esentato dal pagare le spese giudiziarie. Con decreto presidenziale dell'11 giugno 2009 è stata accolta l'istanza di conferimento dell'effetto sospensivo contenuta nel ricorso. Il Tribunale federale non ha ordinato uno scambio di allegati scritti, limitandosi a chiedere alle competenti autorità cantonali la trasmissione degli atti di causa, avvenuta il 14, rispettivamente il 17 luglio 2009.