Sachverhalt:
A. Der Einzelrichter des Bezirksgerichts Zürich verurteilte X._ alias A._ am 25. September 2008 wegen rechtswidrigen Aufenthalts. Er widerrief den bedingten Vollzug der Gefängnisstrafe von 90 Tagen des Strafbefehls der Staatsanwaltschaft Zürich-Sihl vom 2. August 2006 und bildete zusammen mit der neuen Strafe eine Gesamtstrafe von sechs Monaten Freiheitsstrafe.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich bestätigte am 19. Juni 2009 den Schuldspruch und bestrafte X._ mit einer Geldstrafe von 90 Tagessätzen zu Fr. 30.--, bedingt vollziehbar, bei einer Probezeit von 3 Jahren. Es erklärte die Vorstrafe von 90 Tagen Gefängnis als vollziehbar.
C. Gegen dieses Urteil erhebt X._ Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben und die Sache sei zur Neubeurteilung an das Obergericht zurückzuweisen. Zudem stellt er den Antrag um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer macht sinngemäss geltend, die Vorinstanz verletze Bundesrecht, indem sie den aussergesetzlichen Rechtfertigungsgrund der Wahrnehmung berechtigter Interessen nicht anwende. Er sei am 12. Februar 2006 Vater eines Sohnes geworden. Sein Aufenthalt in der Schweiz habe sich seither auf die Anerkennung der Vaterschaft und die persönliche Beziehung zum Kind gerichtet. Eine Ausreise nach Nigeria sei ihm nicht zumutbar gewesen. Die Anerkennung des Sohnes wäre dadurch verzögert und der persönliche Kontakt verunmöglicht worden. Er reicht als Novum eine Aufenthaltsbewilligung, gültig seit dem 1. Oktober 2009, ein.
1.2 Die Vorinstanz sprach den Beschwerdeführer wegen rechtswidrigen Aufenthalts in der Schweiz nach Art. 115 Abs. 1 lit. b AuG (SR 142.20) für den Zeitraum vom 3. August 2006 bis 1. Mai 2008 schuldig. Sie erwägt, er habe nur wenige Bestrebungen zur Legalisierung seines Aufenthalts unternommen. Bei der Beschaffung der erforderlichen Dokumente habe er keine besondere Initiative gezeigt. Er habe lediglich Verwandte kontaktiert, nicht aber die zuständigen diplomatischen Dienste. Die Kindsanerkennung hätte vom Ausland her erfolgen können. Auch der persönliche Kontakt wäre durch eine vorübergehende Ausreise nicht von vornherein und dauerhaft ausgeschlossen worden. Das illegale Verweilen in der Schweiz sei nicht einzig mögliches Mittel zur Erreichung des angestrebten Ziels.
1.3 Der aussergesetzliche Rechtfertigungsgrund der Wahrung berechtigter Interessen setzt voraus, dass die Tat ein zur Erreichung des berechtigten Ziels notwendiges und angemessenes Mittel ist, sie insoweit den einzig möglichen Weg darstellt und offenkundig weniger schwer wiegt als die Interessen, welche der Täter zu wahren sucht (BGE 134 IV 216 E. 6.1 S. 226; BGE 129 IV 6 E. 3.3. S. 14 f.; 127 IV 122 E. 5c S. 135; je mit Hinweisen).
1.4 Nach den zutreffenden Erwägungen der Vorinstanz ist die dauerhafte Anwesenheit des Beschwerdeführers nicht das einzige Mittel, um seine Vaterschaft für ein in der Schweiz wohnhaftes Kind anzuerkennen bzw. sein Kontaktrecht auszuüben. Auch das hängige Gesuch um eine Aufenthaltsbewilligung hinderte den Beschwerdeführer nicht, zumindest vorübergehend in sein Heimatland auszureisen, um dort den Entscheid der Behörden abzuwarten. Es bestand somit ein zumutbares Alternativverhalten. Deshalb ist der vom Beschwerdeführer angerufene Rechtfertigungsgrund nicht anwendbar. Die Aufenthaltsbewilligung ist als unzulässiges echtes Novum nicht zu berücksichtigen (Art. 99 Abs. 1 BGG; BGE 133 IV 342 E. 2.1 S. 342 f.). Sie wäre im Übrigen auch nicht entscheidend, weil sie nach dem tatrelevanten Zeitraum und nach dem angefochtenen Urteil erteilt wurde.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz habe den Rechtsirrtum zu Unrecht verneint. Er sei wegen des illegalen Aufenthalts im August 2006 und im Mai 2008 verhaftet worden. Dennoch hätten ihn die Behörden aus der Untersuchungshaft wieder entlassen und keine Ausschaffungshaft oder andere Zwangsmassnahmen angeordnet. Er habe in guten Treuen davon ausgehen dürfen, dass er zwecks Regelung seiner Vaterschaft in der Schweiz geduldet sei. Er sei in ständigem Kontakt mit zahlreichen Behörden gestanden.
2.2 Nach Art. 21 StGB handelt nicht schuldhaft, wer bei der Begehung der Tat nicht weiss und nicht wissen kann, dass er sich rechtswidrig verhält. Nach der Rechtsprechung des Bundesgericht zu aArt. 20 StGB, welche auf den neuen Allgemeinen Teil des Strafgesetzbuches übertragbar ist, setzt der Rechtsirrtum voraus, dass sich der Täter irrtümlich zur Tat berechtigt hält und dieser Irrtum auf zureichenden Gründen beruht. Was der Täter weiss, will und in Kauf nimmt, betrifft sogenannte innere Tatsachen, ist damit Tatfrage (BGE 133 IV 9 E. 4.1. S. 17; 130 IV 58 E. 8.5 S. 62; 129 IV 238 E. 3.1 S. 240 f.; 122 IV 156 E. 2b S. 160; je mit Hinweisen). Keine Tat-, sondern Rechtsfrage ist hingegen, ob die kantonale Instanz auf der Grundlage der verbindlich festgestellten subjektiven Vorstellungen des Täters zu Recht einen Verbotsirrtum bejaht oder verneint.
2.3 Die Vorinstanz erwägt, der Beschwerdeführer sei mit Schreiben des Migrationsamtes Zürich vom 19. August 2004 aufgefordert worden, die Schweiz bis spätestens 16. April 2005 [recte: 16. September 2004] zu verlassen. Am 3. August 2006 nach der Haftentlassung habe ihn das Migrationsamt erneut aufgefordert, das Land unverzüglich zu verlassen (angefochtenes Urteil S. 5). Er habe aufgrund seiner bisherigen Erfahrungen nicht annehmen können, sein Aufenthalt werde toleriert, solange ihn niemand zum Verlassen des Landes auffordere oder ihn in Ausschaffungshaft versetze. Dies sei auch bei der früheren Verurteilung im August 2006 nicht der Fall gewesen. Das Verfahren zur Kindesanerkennung habe ihn nicht zu einer solchen Annahme berechtigt. Aus dem Schweigen der Behörden ohne jeglichen formellen Akt habe er nicht auf eine Legalisierung seines Status schliessen dürfen. Es hätten sich vielmehr Erkundigungen bei den Behörden oder seinem Verteidiger aufgedrängt. Er könne ein fehlendes Bewusstein um die Rechtswidrigkeit seines Verhaltens nicht beanspruchen (angefochtenes Urteil S. 14 f.).
2.4 Der Beschwerdeführer wendet sich nicht gegen die Feststellungen der Vorinstanz zu seinem Wissen und macht diesbezüglich keine willkürliche Feststellung des Sachverhalts geltend. Deshalb ist auf die vorinstanzlichen Erwägungen abzustellen, wonach sich der Beschwerdeführer nicht über die Rechtswidrigkeit seines Tuns geirrt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Hat der Beschwerdeführer aber davon ausgehen müssen, sein Verbleib in der Schweiz sei rechtswidrig, so fällt ein Rechtsirrtum nach Art. 21 StGB ausser Betracht.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorstrafe könne nicht nach Art. 46 StGB widerrufen werden, wenn keine Gesamtstrafe gebildet werde. Ausserdem sei im Widerrufsverfahren eine unbedingte Freiheitsstrafe nicht zulässig, da die Voraussetzungen von Art. 41 StGB nicht vorlägen. Die Vorinstanz verletze durch den Widerruf der Vorstrafe von 90 Tagen Gefängnis Art. 41 und 46 StGB.
3.2 Die Vorinstanz verweist zu den Voraussetzungen für den Widerruf der Vorstrafe auf das erstinstanzliche Urteil. Die erste Instanz erwog unter Hinweis auf Art. 46 Abs. 1 StGB, es sei zu prüfen, ob die Bewährungsaussichten aufgrund der neuerlichen Delinquenz wesentlich geringer ausfallen, als ursprünglich angenommen. Die Vorinstanz führt zu den neuen Delikten aus, der Beschwerdeführer habe sich während der Probezeit nicht bewährt, sondern sich über längere Zeit der Wegweisung widersetzt. Er sei uneinsichtig und weigere sich hartnäckig, die Schweiz zu verlassen. Ob ihm eine Aufenthaltsbewilligung erteilt werde, sei offen. Die neue Strafe sei lediglich deshalb bedingt auszusprechen, weil die Vorstrafe widerrufen werde.
3.3 Begeht der Verurteilte während der Probezeit ein Verbrechen und Vergehen und ist deshalb zu erwarten, dass er weitere Straftaten verüben wird, so widerruft das Gericht die bedingte Strafe oder den bedingten Teil der Strafe (Art. 46 Abs. 1 Satz 1 StGB). Es kann die Art der widerrufenen Strafe ändern, um mit der neuen Strafe in sinngemässer Anwendung von Artikel 49 eine Gesamtstrafe zu bilden (Abs. 1 Satz 2). Dabei kann es auf eine unbedingte Freiheitsstrafe nur erkennen, wenn die Gesamtstrafe mindestens sechs Monate erreicht oder die Voraussetzungen nach Artikel 41 erfüllt sind (Abs. 1 Satz 3). Der bedingte Teil einer Strafe ist nur zu widerrufen, wenn von einer negativen Einschätzung der Bewährungsaussichten auszugehen ist, d.h. aufgrund der erneuten Straffälligkeit eine eigentliche Schlechtprognose besteht (BGE 134 IV 140 E. 4.3 S. 143 mit Hinweisen). Die Prüfung der Bewährungsaussichten des Täters ist anhand einer Gesamtwürdigung aller wesentlichen Umstände vorzunehmen (a.a.O. E. 4.4. S. 143 f. mit Hinweisen). In diese Beurteilung ist im Rahmen der Gesamtwürdigung auch miteinzubeziehen, ob die neue Strafe bedingt oder unbedingt ausgesprochen wird (a.a.O. E. 4.5 S. 144 f. mit Hinweisen).
3.4 Nach Ziff. 1 Abs. 1 der Schlussbestimmungen der Änderung des StGB vom 13. Dezember 2002 ist Art. 46 StGB auf den Widerruf des bedingten Strafvollzugs, der nach bisherigem Recht angeordnet wurde, anwendbar. Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers ist der Widerruf für nach altem Recht ausgesprochene Freiheitsstrafen unter sechs Monaten nicht an die Bildung einer Gesamtstrafe oder die Voraussetzungen von Art. 41 StGB geknüpft. Soweit keine Gesamtstrafe gebildet wird, betrifft der Widerruf lediglich den Vollzug einer rechtskräftigen Freiheitsstrafe, welche nach altem Recht ohne weiteres unter sechs Monaten liegen durfte. Aufgrund des Wortlauts von Art. 46 Abs. 1 Satz 3 StGB ("dabei") gelten die Voraussetzungen der Mindeststrafdauer von 6 Monaten bzw. von Art. 41 StGB nur bei der Gesamtstrafenbildung nach Art. 46 Abs. 1 Satz 2 StGB. In diesem Fall wird eine neue Strafe nach dem geltenden Recht festgesetzt, welches Freiheitsstrafen unter sechs Monaten nur unter eingeschränkten Voraussetzungen zulässt (Art. 41 StGB). Dies ist vorliegend nicht der Fall, weshalb die Rüge verfehlt ist.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz verletze die Begründungspflicht nach Art. 50 StGB. Sie verweise hinsichtlich des Widerrufs der Vorstrafe vom 2. August 2006 auf das erstinstanzliche Urteil. Dieses beziehe sich auf Art. 42 StGB, welcher den Widerruf nicht regle. Es fehlten Erwägungen über die Gründe des Widerrufs der Vorstrafe. Die Vorinstanz hätte nach Art. 41 StGB begründen sollen, warum eine Strafe von weniger als sechs Monaten zu vollziehen sei.
4.2 Die Vorinstanz geht in ihrer Urteilsbegründung auf die wesentlichen Punkte des Widerrufs der Vorstrafe ein (z.B. die einschlägige Vorstrafe, die Uneinsichtigkeit des Beschwerdeführers und seine aufenthaltsrechtliche Situation; vgl. E. 3.2). Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers bezieht sie sich hinsichtlich des Widerrufs (unter Verweis auf das erstinstanzliche Urteil) nicht auf Art. 42 StGB sondern korrekterweise auf Art. 46 StGB (angefochtenes Urteil S. 22, erstinstanzliches Urteil S. 9 f.). Nicht zu folgen ist der Auffassung des Beschwerdeführers, die Vorinstanz hätte auf die Voraussetzungen von Art. 41 StGB eingehen müssen, denn diese sind auf den Widerruf, bei welchem keine Gesamtstrafe gebildet wird, nicht anwendbar (vgl. E. 3.4). Die Rüge erweist sich als unbegründet, soweit darauf einzutreten ist.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen. Bei diesem Ausgang des Verfahrens hat der Beschwerdeführer die Gerichtskosten zu tragen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Die unentgeltliche Rechtspflege ist nicht zu gewähren, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos war. Den angespannten finanziellen Verhältnissen des Beschwerdeführers ist bei der Bemessung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 22. Dezember 2009
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Koch