Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 7. September 2009 des bandenmässigen Raubes, der mehrfachen, teils versuchten räuberischen Erpressung, der mehrfachen Freiheitsberaubung, der mehrfachen Veruntreuung, der groben Verkehrsregelverletzung und des Missbrauchs von Ausweisen und Schildern schuldig. Es verurteilte ihn zu acht Jahren Freiheitsstrafe, teilweise als Zusatzstrafe zur Strafverfügung des Amtsstatthalteramts Luzern vom 8. Oktober 2008 sowie zum Urteil des Kriminalgerichts des Kantons Luzern vom 14. Januar 2008.
B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das Urteil des Obergerichts vom 7. September 2009 sei aufzuheben und die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen, unter Kosten- und Entschädigungsfolgen zu seinen Gunsten. Es seien ihm die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren und der unterzeichnende Rechtsanwalt als unentgeltlicher Rechtsvertreter zu bestellen.
C. Die Vorinstanz und die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich verzichten auf Vernehmlassungen.
D. Die Strafrechtliche Abteilung des Bundesgerichts hat die Angelegenheit am 24. September 2010 an einer öffentlichen Sitzung beraten.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen seine Verurteilung wegen mehrfacher Freiheitsberaubung zum Nachteil von A._ und B._, die von der Vorinstanz in Konkurrenz zu mehrfachem bandenmässigem Raub ausgesprochen wurde.
1.2 Unbestrittenermassen ist von folgendem Sachverhalt auszugehen:
Am 7. April 2008 klingelten der Beschwerdeführer und sein Mittäter bei A._, drangen in ihre Wohnung ein und hielten ihr die Hand auf den Mund sowie eine CO2-Pistole auf die Brust. A._leistete aufgrund der Androhung von Waffengewalt keinen Widerstand. Die Täterschaft konnte diverse Gegenstände behändigen. In der Folge fesselten der Beschwerdeführer und sein Mittäter A._an das Bett. Danach verliessen sie die Wohnung. A._konnte sich nach ungefähr einer Stunde von der Fesselung befreien.
Der Mittäter des Beschwerdeführers und etwas später der Beschwerdeführer selbst betraten am 9. April 2008 die Wohnung von B._. Sie gaben ihm unter Vorhalten der CO2-Pistole zu verstehen, es handle sich um einen Überfall. Die Täterschaft nahm diverse Gegenstände an sich. Danach fesselte sie B._, der aufgrund zweier Beinprothesen auf einen Rollstuhl angewiesen war, mit Klebeband an den Händen und den Oberschenkeln. Sie klebten ihm auch den Mund zu. Die Täter legten B._ auf das Sofa und forderten ihn auf, während einer Viertelstunde ruhig zu sein. Anderenfalls würden sie zurückkehren und ihn bewusstlos schlagen. Schliesslich schloss die Täterschaft die Wohnungstüre von aussen ab. B._ konnte zwei bis drei Minuten später aufstehen und die Handfesseln und den Mundknebel lösen (Beschwerde S. 4 f., 7 f.; Anklageschrift S. 7; polizeiliche Befragung von B._ vom 9. April 2008, vorinstanzliche Akten Bel. 5.6 S. 3).
1.3 Die Vorinstanz erwägt, der Beschwerdeführer und sein Mittäter hätten A._und B._ nach Vollendung des Raubes gefesselt und eingeschlossen. Damit hätten sie verhindern wollen, dass diese unmittelbar nachher die Polizei benachrichtigen könnten. Die Täterschaft habe mehr und insbesondere länger auf die Freiheit der Opfer eingewirkt, als zur Begehung der Raubtat nötig gewesen wäre. Die entsprechenden Handlungen könnten nicht als blosse Begleiterscheinungen der von der Täterschaft bewirkten Widerstandsunfähigkeit der Opfer hinsichtlich der Raubtaten qualifiziert werden. Der Beschwerdeführer habe sich demnach auch der Freiheitsberaubung im Sinne von Art. 183 Ziff. 1 Abs. 1 StGB schuldig gemacht.
1.4 Nach Ansicht des Beschwerdeführers stellten die Fesselungen und das Einschliessen Massnahmen zur Sicherung der Beute bzw. der Flucht dar. Die diesbezügliche Gewaltanwendung habe in direktem Zusammenhang zu den Raubtaten gestanden. Er sei daher vom Vorwurf der mehrfachen Freiheitsberaubung freizusprechen.
2. 2.1 Des Raubes macht sich schuldig, wer mit Gewalt gegen eine Person oder unter Androhung gegenwärtiger Gefahr für Leib oder Leben oder nachdem er den Betroffenen zum Widerstand unfähig gemacht hat, einen Diebstahl begeht (Art. 140 Abs. 1 StGB). Unter Gewalt ist die unmittelbare physische Einwirkung auf den Körper des Opfers zu verstehen (BGE 133 IV 207 E. 4.3.1 S. 211 mit Hinweisen).
Eine Freiheitsberaubung begeht, wer jemanden unrechtmässig festnimmt oder gefangen hält oder jemandem in anderer Weise unrechtmässig die Freiheit entzieht (Art. 183 Ziff. 1 StGB).
2.2 Raub ist eine Straftat, die sich gegen das Vermögen und die Freiheit wendet. Freiheitsberaubung richtet sich ausschliesslich gegen die Freiheit. In BGE 129 IV 61 präzisierte das Bundesgericht seine Rechtsprechung zur Frage der Konkurrenz zwischen Raub und Freiheitsberaubung und setzte sich mit der Kritik in der Lehre an BGE 98 IV 314 auseinander (Kritik z.B. von Andreas Donatsch, Strafrecht III, 9. Aufl. 2008, S. 159; Trechsel/Fingerhuth, in: Schweizerisches Strafgesetzbuch, Praxiskommentar, 2008, N. 13 zu Art. 183 StGB). In diesem älteren Entscheid war das Festbinden des durch Zufügung von Schlaf- oder Betäubungsmitteln bewusstlosen und gefesselten Opfers mit den Füssen an ein Treppengeländer als durch die Verurteilung wegen Raubes abgegolten beurteilt worden.
Das Bundesgericht hielt in BGE 129 IV 61 fest, gemäss BGE 98 IV 314 sei nicht allein das zeitlich nahe Verhältnis zwischen den Handlungen des Täters massgebend. Die Freiheitsberaubung werde vom Raub konsumiert, wenn sie im Rahmen des Raubes begangen werde, dessen Zwecken sie diene. Sie dürfe nicht über das für die Begehung des Raubes Notwendige hinausgehen (BGE 129 IV 61 E. 2.1 S. 63 ff.). An dieser Rechtsprechung ist festzuhalten. Sie findet auch in der Lehre überwiegend Zustimmung (Niggli/Riedo, in : Basler Kommentar, Strafrecht II, 2. Aufl. 2007, N. 180 zu Art. 140 StGB; Andreas Donatsch, Strafrecht III, 9. Aufl. 2008, S. 159; José Hurtado Pozo, Droit pénal, Partie spéciale, 2009, S. 297 f. N. 987; Andreas Donatsch, StGB, 18. Aufl. 2010, N. 20 zu Art. 140 StGB; vgl. auch Trechsel/Fingerhuth, in: Schweizerisches Strafgesetzbuch, Praxiskommentar, 2008, N. 13 zu Art. 183 StGB; Stratenwerth/Jenny/Bommer, Schweizerisches Strafrecht, Besonderer Teil I, 7. Aufl. 2010, § 5 N. 44, § 13 N. 141; Stratenwerth/Wohlers, Schweizerisches Strafgesetzbuch, Handkommentar, 2. Aufl. 2009, N. 13 zu Art. 140 StGB; Delnon/Rüdy, in: Basler Kommentar, Strafrecht II, 2. Aufl. 2007, N. 56 zu Art. 183 StGB). Liegen die vorgenannten Umstände vor, kann grundsätzlich nicht von einer neuen Tat bzw. einem neuen Tatentschluss ausgegangen werden. Vielmehr erscheinen die beiden Handlungen bei natürlicher Betrachtung als Einheit und stellen damit eher einzelne Tathandlungen innerhalb eines gesamten Tätigwerdens dar. Insbesondere auch der Zweckgedanke, d.h. die Sicherung der Beute bei der Begehung des Raubes, erklärt in einem solchen Fall das Konsumieren der Freiheitsberaubung durch den Raub, da es begriffsnotwendig zum Raub gehört, die Vorkehren zu treffen, um die Beute behalten zu können. Davon abzugrenzen ist eine allfällige Fluchtsicherung.
2.3 Die Fesselung und das Einschliessen von B._ sowie die Fesselung von A._dienten der Verwirklichung der Raubtaten und wurden bei deren Ausführung begangen. Die diesbezügliche Anwendung von Gewalt hing direkt damit zusammen. Die Handlungen der Täter erscheinen zudem als einheitliches Tun, welche vorliegend auch in einem engen zeitlichen Zusammenhang zueinander standen. A._und B._ konnten sich innert einer Stunde bzw. weniger Minuten befreien. Der Angriff auf ihre Freiheit ging nicht über das zur Verwirklichung des Tatbestands des Raubes notwendige Mass hinaus und diente dessen Zwecken. Unter diesen Umständen wird die Freiheitsberaubung in Anwendung vorerwähnter Rechtsprechung und Lehre vom Tatbestand des Raubes konsumiert.
3. Die Beschwerde ist gutzuheissen, das angefochtene Urteil aufzuheben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Bei diesem Ausgang des Verfahrens sind keine Kosten zu erheben (Art. 66 Abs. 1 und 4 BGG). Der Kanton Zürich hat dem Beschwerdeführer für das bundesgerichtliche Verfahren eine angemessene Parteientschädigung auszurichten (Art. 68 Abs. 2 BGG). Diese ist dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers zuzusprechen. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird gegenstandslos.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird gutgeheissen, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich, I. Strafkammer, vom 7. September 2009 aufgehoben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen.
2. Es werden keine Kosten erhoben.
3. Der Kanton Zürich hat Rechtsanwalt Urs Vögeli für das bundesgerichtliche Verfahren eine Parteientschädigung von Fr. 3'000.-- zu bezahlen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 24. September 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Pasquini