Sachverhalt:
A. A.a Das Bezirksgericht Horgen verurteilte X._ am 25. Februar 2009 wegen Betruges und Veruntreuung zum Nachteil von A._. In Gutheissung der Berufung sprach ihn das Obergericht des Kantons Zürich am 16. November 2009 vollumfänglich frei.
A.b Das Bundesgericht hob das Urteil des Obergerichts am 8. Juni 2010 auf Beschwerde von A._ hin auf und wies die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurück (Urteil 6B_22/2010), weil die Vorinstanz die Aussagen von A._ und des Zeugen B._ zu Unrecht als unverwertbar erachtet hatte.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich befand X._ mit Urteil vom 16. Dezember 2010 der Veruntreuung und des Betrugs schuldig. Es bestrafte ihn mit einer bedingt vollziehbaren Freiheitsstrafe von 15 Monaten, als Zusatzstrafe zum Strafbefehl der Staatsanwaltschaft Limmattal/Albis vom 2. Juni 2008. X._ wurde verpflichtet, A._ Fr. 476'129.10 Schadenersatz nebst Zins zu bezahlen.
C. Gegen dieses Urteil erhebt X._ Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben. Er sei von Schuld und Strafe freizusprechen. Die Schadenersatzbegehren der Geschädigten seien auf den Zivilweg zu verweisen. Das Verfahren sei zur Neuverlegung der Kostenfolgen, eventualiter zur gesamthaften Neubeurteilung, an die Vorinstanz zurückzuweisen. Es sei ihm die unentgeltliche Prozessführung zu gewähren und sein Rechtsvertreter als unentgeltlicher Rechtsbeistand zu bestellen.
D. A._ reichte eine Vernehmlassung ein. Sie stellte keinen bestimmten Antrag. Das Obergericht und die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich verzichteten auf eine Vernehmlassung.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz verletze seinen Anspruch auf rechtliches Gehör nach Art. 29 Abs. 2 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK. Sie habe ihm die Stellungnahme der Staatsanwaltschaft Limmattal/Albis vom 7. September 2010 weder zur Kenntnis gebracht noch zur allfälligen Stellungnahme zugestellt. Er habe davon erst durch das angefochtene Urteil erfahren (Beschwerde S. 4).
1.2 Die Beschwerdegegnerin 2 erachtet den Einwand des Beschwerdeführers als rechtsmissbräuchlich. Die Staatsanwaltschaft gebe in ihrer kurzen Stellungnahme lediglich die Feststellung des Bundesgerichtsurteils wieder, wonach Aussagen der beiden Zeugen A._ und B._ sowie jene des Beschwerdeführers verwertbar seien. Gestützt darauf ziehe sie die Schlussfolgerung, es sei unbeachtlich, ob die erneuten Einvernahmen als Wiederholung oder Beweisergänzung zu qualifizieren seien. Sie halte vollumfänglich an der Anklageschrift fest. Der Beschwerdeführer habe zu diesen Fragen bereits Stellung genommen, da sie (die Beschwerdegegnerin 2) sich zur selben Frage habe verlauten lassen. Seine Stellungnahme zur Rechtsschrift der Staatsanwaltschaft wäre nicht anders ausgefallen.
1.3 Der Anspruch auf rechtliches Gehör gemäss Art. 29 Abs. 2 BV umfasst das Recht, von jeder dem Gericht eingereichten Stellungnahme Kenntnis zu nehmen und sich dazu äussern zu können, unabhängig davon, ob die Stellungnahme neue Tatsachen oder Argumente enthält und ob sie das Gericht tatsächlich zu beeinflussen vermag. Das auf Art. 29 Abs. 2 BV gestützte Replikrecht gilt für alle gerichtlichen Verfahren (BGE 133 I 98 E. 2.1 und E. 2.2 S. 99 f.; 132 I 42 E. 3.3 S. 45 f. mit Hinweisen auf die Rechtsprechung des EGMR).
1.4 Das Versäumnis der fehlenden Zustellung wird von der Vorinstanz weder bestätigt noch in Abrede gestellt. Aus den Akten ergibt sich nicht, dass die Stellungnahme dem Beschwerdeführer zugestellt worden wäre. Dies ist für den Ausgang des Verfahrens entscheidend. Die Beschwerde ist unabhängig vom Inhalt des dem Beschwerdeführer vorenthaltenen Dokumentes begründet. Sie ist im Verfahren nach Art. 109 BGG gutzuheissen, der angefochtene Entscheid aufzuheben und die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
2. Der Beschwerdeführer obsiegt. Der im amtlichen Wirkungskreis unterliegenden Beschwerdegegnerin 1 sind keine Kosten aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 und Abs. 4 BGG). Der Kanton Zürich ist zu verpflichten, den Rechtsvertreter des Beschwerdeführers angemessen zu entschädigen (Art. 68 Abs. 1 und Abs. 2 BGG). Bei diesem Ausgang ist das Gesuch des Beschwerdeführers um unentgeltliche Rechtspflege gegenstandslos (Art. 64 Abs. 1 und Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird gutgeheissen, das angefochtene Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich vom 16. Dezember 2010 aufgehoben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen.
2. Das Gesuch des Beschwerdeführers um unentgeltliche Rechtspflege wird als gegenstandslos abgeschrieben.
3. Es werden keine Kosten erhoben.
4. Der Kanton Zürich hat den Rechtsvertreter des Beschwerdeführers, Rechtsanwalt Thomas Wirz, Zürich, mit Fr. 3'000.-- zu entschädigen.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 20. Juni 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Mathys Koch