Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 20. Mai 2009 wegen qualifizierter Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz, Anstiftung zur qualifizierten Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz und Geldwäscherei zu einer Freiheitsstrafe von 3 1/2 Jahren.
B. X._ erhebt gegen dieses Urteil Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt einen vollumfänglichen Freispruch. Eventualiter sei er mit einer bedingten bzw. teilbedingten Freiheitsstrafe zu bestrafen, subeventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an das Obergericht zurückzuweisen. Er beantragt die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. Eventualiter seien die Kosten des Beschwerdeverfahrens auf die Staatskasse zu nehmen und es sei ihm eine angemessene Prozessentschädigung auszurichten.
Erwägungen:
1. 1.1 Dem Beschwerdeführer wird gemäss Anklage zur Last gelegt, er habe "Y._" an seinem Wohnort in Z._ mit Wissen und Willen 28 bis 30 Fingerlinge zu je ca. 10 Gramm Kokain übergeben, dies im Zeitraum von Ende Mai bis Ende Juli 2005 zu einem nicht näher bestimmten Zeitpunkt.
1.2 Im Frühjahr/Sommer 2005 habe er A._ zu sich nach Hause eingeladen und ihm einen Kokaintransport vorgeschlagen. Er habe ihm die Telefonnummer des in Amsterdam wohnhaften Kokainlieferanten "B._" gegeben und ihn angewiesen, sich mit letzterem in Verbindung zu setzen. Dies habe A._ getan. Er habe im Auftrag von B._ am 7. September 2005 einen Drogentransport gegen ein versprochenes Entgelt von 2'000.-- Euro ausgeführt. Dabei habe er 131 Fingerlinge von total 1'301 Gramm Kokain mit einem Reinheitsgehalt von 65 % in seinem Magen-Darmtrakt von Amsterdam nach Basel transportiert. Diese Drogen hätte er C._ überbringen sollen. Dazu sei es wegen der Verhaftung nicht gekommen.
1.3 Am Abend des 26. Juli 2005 habe der Beschwerdeführer die bei ihm wohnhafte D._nach Basel gefahren. Dort habe sie im Auftrag von B._ bei "E._" und C._ Fr. 14'500.-- bzw. Fr. 43'000.-- Drogenverkaufserlös abgeholt. Nach einem Wechsel in eine andere Währung durch D._habe der Beschwerdeführer am 30. Juli 2005 in seiner Wohnung 30'000.-- Euro übernommen. Er habe das Geld in Hosentasche, Portemonnaie und Koffer verstaut, um es am selben Tag zu B._ nach Amsterdam zu bringen. Beim Versuch, vor seiner Abreise am Flughafen Zürich-Kloten das Geld in grosse Scheine zu wechseln, sei er verhaftet worden. Er habe gewusst, dass das Geld aus dem Drogenhandel stamme. Die Vorinstanz erachtet den Sachverhalt der vorstehenden Anklagepunkte als erwiesen.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz. Er macht geltend, diese sei willkürlich und verletze den Grundsatz "in dubio pro reo". Die Vorinstanz habe die Belastungen durch Y._ und A._ zu Unrecht als glaubhaft eingestuft und eine Verschwörung gegen ihn ausgeschlossen. Er sei nicht am Drogenhandel beteiligt gewesen.
2.2 Feststellungen zum Sachverhalt prüft das Bundesgericht nur unter dem Gesichtspunkt der Willkür (Art. 97 Abs. 1 BGG). Nach der bundesgerichtlichen Praxis liegt Willkür in der Beweiswürdigung nach Art. 9 BV vor, wenn der angefochtene Entscheid auf einer schlechterdings unhaltbaren oder widersprüchlichen Beweiswürdigung beruht bzw. im Ergebnis offensichtlich unhaltbar ist, mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht oder in stossender Weise dem Gerechtigkeitsgedanken zuwiderläuft. Das Bundesgericht hebt einen Entscheid nur auf, wenn nicht bloss die Begründung, sondern auch das Ergebnis unhaltbar ist. Für die Annahme von Willkür genügt es nicht, wenn eine andere Lösung auch als vertretbar oder sogar zutreffender erscheint (BGE 132 I 175 E. 1.2 S. 177; 131 I 467 E. 3.1 S. 473 f., je mit Hinweisen).
2.3 Der Beschwerdeführer setzt sich nicht mit der ausführlichen vorinstanzlichen Beweiswürdigung (z.B. Würdigung der eigenen Aussagen und jenen von Y._, A._ und D._; Aussagen aus der Telefonkontrolle; Speicherung der Telefonnummern von Drogenhändlern im Natel; Lüge betreffend Reisetätigkeit; Umstände seiner Verhaftung; SMS an B._; Widerspruch zwischen der schlechten finanziellen Situation von D._als Asylbewerberin und deren Besitz von viel Bargeld; Ausführungen zur Bankangestellten F._; Behauptung eines eigenen hypothetischen Sachverhaltsablaufs, wonach er kein Geld gewechselt hätte, wenn ihm die deliktische Herkunft bekannt gewesen wäre) auseinander, sondern er legt seine Sicht dar, wie er selbst die Beweise gewürdigt hätte (Ziff. 2.3.1 S. 5 - 8 der Beschwerdeschrift). Stellenweise behauptet er das Gegenteil von den Feststellungen der Vorinstanz (z.B. A._ nenne ausser seinem Namen keine Details). Soweit nachfolgend nicht auf seine Vorbringen eingegangen wird, genügt die Beschwerde den Begründungsanforderungen von Art. 97 Abs. 1 BGG nicht. Auf die entsprechenden Rügen ist nicht einzutreten (BGE 134 V 53 E. 3.3. S. 60 mit Hinweisen; 134 II 244 E. 2.1 und 2.2 S. 245 f.; 130 I 258 E. 1.3 S. 261 f. je mit Hinweisen).
3. 3.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz gehe in willkürlicher Weise von einem Kausalzusammenhang zwischen der Abgabe von B._s Telefonnummer an A._ im Frühjahr 2005 und dessen Drogengeschäft am 7. September 2005 aus (Beschwerdeschrift 2.3.1 lit. c S. 7). Insbesondere sei der Auftraggeber des Drogentransports unbekannt. Demnach handle es sich beim Auftraggeber nicht um B._. Sie habe zu Unrecht auf die Aussagen von A._ abgestellt.
3.2 Die Vorinstanz stellt fest, gestützt auf das Geständnis von A._ sei der angeklagte Sachverhalt erstellt. Den Namen der niederländischen Kontaktperson habe weder diese selbst noch der Beschwerdeführer genannt. A._ sei auch anlässlich der Konfrontationseinvernahme bei seinen Aussagen geblieben und habe seine früheren Aussagen als richtig bezeichnet (angefochtenes Urteil S 17 ff.). Gestützt auf die Telefonkontrolle, insbesondere das Gespräch zwischen B._ und D._, geht die Vorinstanz davon aus, dass der Beschwerdeführer selbst Drogengelder an B._ habe überbringen wollen (angefochtenes Urteil S. 23). Er habe bereits am 16. und 22. Juli 2005 per SMS Kontakt mit ihm gehabt und ein Treffen vereinbart. Die Telefonnummer von B._ habe er in seinem Natel gespeichert gehabt (angefochtenes Urteil S. 24). Aufgrund der weiteren Indizien (z.B. widersprüchliche Aussagen des Beschwerdeführers, in seiner Wohnung aufgefundenes Bargeld, Aussagen der am Drogenhandel beteiligten Y._, A._, D._, G._) sei seine Beteiligung am Drogenhandel und auch der in Bezug auf A._ angeklagte Sachverhalt erwiesen.
3.3 Angesichts der umfassenden Beweiswürdigung und gestützt auf die zahlreichen Indizien (vgl. E. 3.2) ist es im Ergebnis nicht schlechterdings unvertretbar, wenn die Vorinstanz den angeklagten Sachverhalt als erwiesen erachtet. Insbesondere wollte der Beschwerdeführer Drogengelder an den in den Niederlanden wohnhaften B._ überbringen. Deshalb ist der Schluss der Vorinstanz, er habe A._ die Telefonnummer von B._ gegeben, was kausal für den Drogentransport sei, nicht willkürlich. Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers lässt sich weder aus der geringeren Detailliertheit der Konfrontationseinvernahme noch aus dem Umstand, dass sich ein Geständnis in der Strafzumessung positiv auswirken kann, etwas zum Wahrheitsgehalt von A._s Aussagen ableiten. Auch die geltend gemachte "Lücke" im Befragungsprotokoll ist diesbezüglich nicht aussagekräftig. Soweit der Beschwerdeführer behauptet, er sei Ziel einer Verschwörung, bzw. nur er werde durch die Aussagen A._s belastet, setzt er sich nicht mit den eingehenden Erwägungen der Vorinstanz auseinander. Die Rüge erweist sich als unbegründet, soweit darauf einzutreten ist.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer macht unter Verweis auf das erstinstanzliche Urteil geltend, die Vorinstanz gehe in willkürlicher Weise bei der Strafzumessung davon aus, er habe sich finanziell an den ihm zur Last gelegten Taten bereichert.
4.2 Die Vorinstanz erwägt im Rahmen der Strafzumessung, der Beschwerdeführer habe selbst keine Drogen konsumiert. Sie geht davon aus, er habe die Taten aus rein finanziellen Interessen begangen.
4.3 Angesichts der von der Vorinstanz festgestellten Tatumstände, wonach der Beschwerdeführer einen Betrag von 30'000.-- Euro aus Drogenerlös in die Niederlande transportieren wollte und als Nicht-Drogensüchtiger in den Drogenhandel involviert war, ist es nicht zu beanstanden, wenn diese davon ausgeht, das Tatmotiv sei ausschliesslich finanzieller Natur.
5. 5.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz werte die Übergabe der Telefonnummer von B._ an A._ zu Unrecht als Anstiftung zum Drogenhandel nach Art. 24 StGB. Er habe ihn zu keiner konkreten strafbaren Handlung bestimmt. Die Bezeichnung der Straftart als blosse Gattung, wie z.B. "Drogen transportieren", genüge nicht. Weder Angriffsobjekt, Tatort oder Art und Weise des Vorgehens habe er hinreichend individualisiert. So sei beispielsweise die zu transportierende Drogenmenge nicht genau bekannt gewesen. Im Weiteren erreiche die Einwirkung auf A._ die Intensität einer Anstifung nicht.
5.2 Wer jemanden zu dem von ihm verübten Verbrechen oder Vergehen vorsätzlich bestimmt hat, wird nach der Strafandrohung bestraft, die auf den Täter Anwendung findet (Art. 24 Abs. 1 StGB). Durch die Anstiftung wird in einem andern der Entschluss zu einer bestimmten Tat hervorgerufen. Der Tatentschluss muss auf das motivierende Verhalten des Anstifters zurückzuführen sein. Nicht erforderlich ist hingegen, dass beim Anzustiftenden Widerstände zu überwinden wären. Anstiftung fällt ausser Betracht, wenn der andere zu einer bestimmten Tat bereits entschlossen ist. Erforderlich für die Anstiftung ist eine psychische, geistige Beeinflussung, eine unmittelbare Einflussnahme auf die Willensbildung des andern. Als Anstiftungsmittel kommt jedes motivierende Tun in Frage (BGE 128 IV 11 E. 2a S. 14 f; 127 IV 122 E. 2b/aa S. 127; je mit Hinweisen). Die Tat, zu der angestiftet wird, muss nicht in allen Einzelheiten bestimmt sein. Die Einzelheiten der Ausführung können dem Angestifteten überlassen werden (BGE 116 IV 1 E. 3c S. 2 f. mit Hinweisen).
5.2 Wer jemanden zu dem von ihm verübten Verbrechen oder Vergehen vorsätzlich bestimmt hat, wird nach der Strafandrohung bestraft, die auf den Täter Anwendung findet (Art. 24 Abs. 1 StGB). Durch die Anstiftung wird in einem andern der Entschluss zu einer bestimmten Tat hervorgerufen. Der Tatentschluss muss auf das motivierende Verhalten des Anstifters zurückzuführen sein. Nicht erforderlich ist hingegen, dass beim Anzustiftenden Widerstände zu überwinden wären. Anstiftung fällt ausser Betracht, wenn der andere zu einer bestimmten Tat bereits entschlossen ist. Erforderlich für die Anstiftung ist eine psychische, geistige Beeinflussung, eine unmittelbare Einflussnahme auf die Willensbildung des andern. Als Anstiftungsmittel kommt jedes motivierende Tun in Frage (BGE 128 IV 11 E. 2a S. 14 f; 127 IV 122 E. 2b/aa S. 127; je mit Hinweisen). Die Tat, zu der angestiftet wird, muss nicht in allen Einzelheiten bestimmt sein. Die Einzelheiten der Ausführung können dem Angestifteten überlassen werden (BGE 116 IV 1 E. 3c S. 2 f. mit Hinweisen).
5.3 5.3.1 Nach den verbindlichen vorinstanzlichen Feststellungen hat der Beschwerdeführer bei A._ den Tatentschluss hervorgerufen, Kokain von den Niederlanden in die Schweiz zu transportieren. Dabei war A._ nicht von vornherein zur Tat bereit, sondern hätte diese ohne die Einwirkung des Beschwerdeführers nicht ausgeführt. Die Grundzüge der Straftat hat der Beschwerdeführer in Gegenwart von A._ umschrieben. Er hat ihm eröffnet, er könne gegen eine entsprechende Entlöhnung Kokain aus den Niederlanden in die Schweiz einführen. Zu diesem Zweck hat er ihm die Telefonnummer eines niederländischen Kontaktmannes gegeben. Über den Kontaktmann ist der Drogentransport von A._ in die Schweiz zustande gekommen. Hinsichtlich der zu transportierenden Menge Kokain hat der Beschwerdeführer angesichts des erheblichen zeitlichen und finanziellen Aufwands davon ausgehen müssen, A._ transportiere eine grosse Drogenmenge.
5.3.2 Die blosse Äusserung, es bestehe die Möglichkeit eines Kokainimports aus den Niederlanden, erreicht die Intensität einer Anstiftung nicht, da allgemein bekannt ist, dass Drogen aus dem Ausland in die Schweiz importiert werden können. Anders ist dieselbe Äusserung gegenüber einer Person zu verstehen, welche sich in Finanznot befindet und der Drogentransport als Lösung ihrer finanziellen Probleme angepriesen wird. Wenn man, wie der Beschwerdeführer, im Wissen um die schlechte finanzielle Situation eine andere Person eigens vom Ausland her einlädt, sie vom Flughafen her zu sich nach Hause chauffiert, ihr dann die Möglichkeit des Drogenhandels eröffnet und die Telefonnummer eines Drogenhändlers abgibt, ist dies eindringlich genug, um das Ausmass einer Anstiftung zu erreichen. Mit seinem Vorgehen hat der Beschwerdeführer A._ einen konkreten Weg, wie der Drogenhandel zustande kommen kann, aufgezeigt. Entgegen seiner Auffassung genügt es, dass er die Grundzüge der Tat grob dargestellt hat (vgl. E. 5.3.1). Die Würdigung der Handlung als Anstiftung zur qualifizierten Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz (SR 812.121) im Sinne von Art. 24 Abs. 1 StGB i.V.m. Art. 19 Ziff. 1 al. 3 BetmG i.V.m. Art. 19 Ziff. 2 lit. a BetmG erweist sich als bundesrechtskonform.
6. 6.1 Der Beschwerdeführer rügt, die vorinstanzliche Strafzumessung verstosse gegen Bundesrecht. Die Begründung der Strafe genüge bezüglich der Begründungsdichte den gesetzlichen Anforderungen von Art. 47 ff. StGB bzw. aArt. 63 ff. StGB nicht. Die Vorinstanz überschreite ihr Ermessen, wenn sie für eine Drogenübergabe, eine Anstiftung zum Drogentransport und einen Geldtransport eine Freiheitsstrafe von 3 1/2 Jahren ausfälle. Er habe sich auf einer tiefen Hierarchiestufe befunden. Das Bestreiten des Sachverhalts dürfe nicht straferhöhend gewertet werden. Zudem sei die Strafe für die Anstiftung infolge ihrer Unbestimmtheit und des reduzierten objektiven und subjektiven Tatunrechts zu reduzieren. Es sei eine bedingte oder teilbedingte Strafe auszufällen. Damit verletze die Vorinstanz auch Art. 2 Abs. 2 StGB, weil das neue Recht hinsichtlich der Voraussetzungen für den (teil)bedingten Strafvollzug milder sei.
6.2 Der seit dem 1. Januar 2007 geltende Allgemeine Teil des Strafgesetzbuches ist auf die vor diesem Zeitpunkt begangenen Taten anzuwenden, falls er milder ist (vgl. Art. 2 Abs. 2 StGB). Ob das neue im Vergleich zum alten Gesetz milder ist, beurteilt sich aufgrund eines konkreten Vergleichs der Strafe. Der Richter hat zu prüfen, nach welchem der beiden Rechte der Täter besser wegkommt (BGE 134 IV 82 E. 6.2.1 S. 87 f. mit Hinweisen). Freiheitsentziehende Strafen des bisherigen Rechts (Gefängnis oder Zuchthaus) und des neuen Rechts (Freiheitsstrafe) sind gleichwertig, soweit sie unbedingt ausgesprochen werden (a.a.O, E. 7.2.1 S. 89 f. mit Hinweisen). Führt die Strafzumessung unter Würdigung aller wesentlichen Umstände zu einer Freiheitsstrafe, welche im Bereich eines Grenzwertes zum bedingten bzw. teilbedingten Strafvollzugs liegt, hat sich der Richter zu fragen, ob zugunsten des Beschuldigten eine Sanktion, welche die Grenze nicht überschreitet, noch innerhalb des Ermessensspielraumes liegt. Bejaht er die Frage, hat er die Strafe in dieser Höhe festzulegen. Verneint er sie, ist es zulässig, auch eine nur unwesentlich über der Grenze liegende Freiheitsstrafe auszufällen (BGE 134 IV 17 E. 3.6 S. 25). Dabei hat der Richter die für die Zumessung der Strafe erheblichen Umstände und deren Gewichtung zu begründen (BGE 134 IV 17 E. 2.1 S. 19 f. mit Hinweisen; Art. 50 StGB).
6.3 Die Vorinstanz gelangt nach einlässlicher Begründung (angefochtenes Urteil S. 25 bis 30) und unter Anwendung des vor dem 1. Januar 2007 geltenden Rechts, auf eine Freiheitsstrafe von 3 1/2 Jahren. Bei dieser Strafe ist der teilbedingte Strafvollzug objektiv nicht mehr möglich (Art. 43 Abs. 1 StGB). Durch den Verweis auf das erstinstanzliche Urteil bezieht sie die Auswirkungen des Vollzugs einer Freiheitsstrafe auf das Leben des Beschwerdeführers implizit mit ein (vgl. angefochtener Entscheid, S. 30, erstinstanzliches Urteil S. 56 f.). Nach Würdigung aller massgeblichen Umstände (so etwa objektive und subjektive Tatkomponenten, Täterkomponente, Tatmehrheit, persönliche Verhältnisse, Leumund) kommt sie zum Schluss, es sei eine Freiheitsstrafe auszusprechen, welche die Gewährung des bedingten Strafvollzugs nicht mehr zulasse (vgl. angefochtener Entscheid, S. 30). Damit bringt sie zum Ausdruck und begründet hinreichend, weshalb sie eine Freiheitsstrafe im Grenzbereich zum teilbedingten Strafvollzug ausschliesst bzw. eine weitere Reduktion der Strafe nicht mehr für angemessen hält (Art. 50 StGB). Die Erwägungen der Vorinstanz sind nachvollziehbar und ihre Schlüsse leuchten ein. Die festgesetzte Strafe liegt angesichts der Mindeststrafe, des weiten Strafrahmens, der objektiven und subjektiven Tatschwere (z.B. weit über dem Grenzwert des schweren Falls liegende Betäubungsmittelmenge, internationale Drogenhandelsbeziehungen, Stellung als Arzt, finanzielle Motivation, Ausnützen von A._, beträchtlicher Geldbetrag) und der weiteren Strafzumessungsmerkmale (Tatmehrheit, ungetrübter Leumund, persönliche Verhältnisse) innerhalb des Ermessensbereichs. Da die konkrete Strafzumessung nach altem Recht eine Freiheitsstrafe von über 3 Jahren ergibt, ist das neue Recht nicht milder. Die Anwendung des alten Rechts erweist sich als bundesrechtskonform.
7. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens hat der Beschwerdeführer die Gerichtskosten zu tragen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Das Gesuch des Beschwerdeführers um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos war. Seinen angespannten finanziellen Verhältnissen 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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 23. November 2009
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Koch