Sachverhalt:
A. X._ wurde mit Urteil des Bezirksgerichts Bülach vom 26. April 2006 der mehrfachen sexuellen Nötigung (Art. 189 Abs. 1 StGB), der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern (Art. 187 Ziff. 1 Abs. 1 und Abs. 3 StGB) sowie der mehrfachen Pornographie (Art. 197 Ziff. 3 StGB) schuldig gesprochen und mit 4 1⁄2 Jahren Zuchthaus bestraft. Während des Vollzuges wurde eine ambulante Massnahme im Sinne von Art. 43 Ziff. 1 Abs. 1 aStGB angeordnet.
B. Gegen dieses Urteil erklärte X._ die Berufung. Das Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, bestrafte ihn mit Urteil vom 21. September 2007 in Anwendung des neuen Rechts mit einer Freiheitsstrafe von 5 1⁄2 Jahren.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich sei aufzuheben und die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Zudem ersucht er um unentgeltliche Prozessführung.
D. Die Staatsanwaltschaft des Kantons Zürich beantragt die Abweisung der Beschwerde. Das Obergericht des Kantons Zürich und die Opfer verzichten auf Vernehmlassung.
Erwägungen:
1. Am 1. Januar 2007 ist der revidierte Allgemeine Teil des Strafgesetzbuches in Kraft getreten. Dieses neue Recht gelangt jedoch auf Taten, welche noch unter Geltung des alten Rechts begangen wurden, nur zur Anwendung, wenn es für den Täter das mildere ist (Art. 2 Abs. 2 StGB). Ob das neue im Vergleich zum alten Gesetz milder ist, beurteilt sich nicht nach einer abstrakten Betrachtungsweise, sondern in Bezug auf den konkreten Fall (Grundsatz der konkreten Vergleichsmethode). Der Richter hat die Tat sowohl nach altem als auch nach neuem Recht (hypothetisch) zu prüfen und durch Vergleich der Ergebnisse festzustellen, nach welchem der beiden Rechte der Täter besser wegkommt (BGE 134 IV 82 E. 6.2.1 S. 87, mit Hinweisen). Die Vorinstanz beurteilt das neue Recht als milder, weil die Bestimmungen über die Gewährung des bedingten Strafvollzuges im neuen Recht gegenüber dem alten Recht gemildert worden seien (vgl. angefochtenes Urteil S. 26). Dem ist nicht beizustimmen. Im vorliegenden Fall wurde eine Freiheitsstrafe von 4 1⁄2 Jahren ausgefällt, weshalb die Anordnung eines (teil-)bedingten Strafvollzuges von vornherein ausser Betracht fällt. Deshalb erweist sich das neue Recht nicht als das mildere.
2. In der Anklageschrift wird dem Beschwerdeführer vorgeworfen, im Jahre 1997 seiner damals acht- oder neunjährigen Stieftochter B._ (geb. am 11. Januar 1988) am damaligen Familiendomizil einen Zungenkuss gegeben zu haben. In den Jahren 2001 bis 2002 habe er ihr rund 20 Male während jeweils rund fünf bis zehn Minuten an die nackten Brüste gefasst. Weiter habe er in den Jahren 2000 bis 2001 zusätzlich ein Mal ihre Vagina berührt und die Klitoris stimuliert. In der gleichen Zeit habe er sich in der Dusche nackt neben B._ gestellt und ihr mit Seife den ganzen Körper eingerieben. Vermutlich anlässlich der Sommerferien in Italien habe er zudem vor den Augen des Mädchens an seinem Glied manipuliert.
Dem Beschwerdeführer wird weiter vorgeworfen, die gleichen Handlungen in den Jahren 2001 bis 2003 zum Nachteil der damals zehneinhalb bis zwölfeinhalb Jahre alten A._ (geb. am 14. Juni 1990) vorgenommen zu haben. Zusätzlich habe er mehrere Male vor den Augen seiner Stieftochter an seinem erigierten Penis manipuliert, bis er zum Samenerguss gekommen sei. Zudem habe er an der nackten Scheide bzw. an der Klitoris von A._ geleckt sowie seinen Penis gegen ihren nackten Bauch / Oberkörper gerieben und an seinem Glied manipuliert, bis er zum Samenerguss gekommen sei. Weiter habe er sich nackt auf das Mädchen gelegen und seinen Penis an ihrer nackten Scheide gerieben. Er habe von ihr verlangt, dass sie seinen erigierten Penis in die Hand nehme und bis zum Samenerguss manipuliere.
Der Beschwerdeführer habe in den Jahren 2001 bis 2002 unbestimmt viele Male an die Brüste, Scheide und Vagina der damals acht- bis zehnjährigen C._ (geb. am 8. April 1993) gegriffen und sie angewiesen, seinen Penis in die Hand zu nehmen. Er habe seinen erigierten Penis am nackten Rücken oder Bauch des Mädchens gerieben und seine Samenflüssigkeit auf ihren Körper gespritzt. Weiter habe er seinen nackten Penis gegen ihre nackte Scheide gerieben.
Betreffend den drei Geschädigten hält die Anklageschrift je fest: "Der Angeklagte vollzog all diese (...) genannten Handlungen, die einzig zu seiner eigenen sexuellen Befriedigung dienten, an der (...) Geschädigten (...), obschon er wusste, dass er gegen ihren Willen handelte und sie diese Handlungen nur wegen ihrer - wie er wusste - kognitiven Unterlegenheit und weil sie infolge ihrer Abhängigkeit, sowohl in emotionaler als auch in sozialer Hinsicht dem Angeklagten ausgeliefert war, über sich ergehen liess."
3. Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung des Anklagegrundsatzes. Die Tatbestandsvariante des "Unter-psychischen-Druck-Setzens" im Sinne von Art. 189 Abs. 1 StGB sei in der Anklageschrift ungenügend umschrieben.
3.1 Nach dem Anklagegrundsatz können Gegenstand des gerichtlichen Verfahrens nur Sachverhalte sein, die dem Angeklagten in der Anklageschrift vorgeworfen werden. Diese muss die Person des Angeklagten sowie die ihm zur Last gelegten Delikte in ihrem Sachverhalt so präzise umschreiben, dass die Vorwürfe im objektiven und subjektiven Bereich genügend konkretisiert sind (Umgrenzungsfunktion). An diese Anklage ist das Gericht gebunden. Zum anderen vermittelt sie dem Angeschuldigten die für die Durchführung des Verfahrens und die Verteidigung notwendigen Informationen. Sie dient insofern dem Schutz der Verteidigungsrechte des Angeklagten (Informationsfunktion). Beiden Funktionen kommt gleiches Gewicht zu (BGE 133 IV 303 E. 4.7, mit Hinweisen). Seine verfassungsrechtliche Grundlage findet der Anklagegrundsatz in Art. 32 Abs. 2 BV. Danach hat jede Person Anspruch darauf, möglichst rasch und umfassend über die gegen sie erhobenen Beschuldigungen unterrichtet zu werden. Sie muss die Möglichkeit haben, die ihr zustehenden Verteidigungsrechte geltend zu machen. Ferner räumt auch Art. 6 Ziff. 3 lit. a EMRK einen Anspruch darauf ein, in allen Einzelheiten über die Art und den Grund der gegen ihn erhobenen Beschuldigungen in Kenntnis gesetzt zu werden. Dadurch soll der Angeklagte vor Überraschung und Überrumpelung geschützt und ihm eine effektive Verteidigung ermöglicht werden (BGE 126 I 19 E. 2a S. 21, mit Hinweisen). Konkretisiert wird der Anklagegrundsatz zur Hauptsache durch die formellen Anforderungen, welche das kantonale Verfahrensrecht an die Anklageschrift stellt. Gemäss § 162 Abs. 1 Ziff. 2 StPO/ZH bezeichnet die Anklageschrift kurz, aber genau die dem Angeklagten zur Last gelegten Handlungen oder Unterlassungen, unter Angabe aller Umstände, welche zum gesetzlichen Tatbestand gehören, sowie möglichst genauer Angabe von Ort, Zeit und anderen Einzelheiten, so dass der Angeklagte daraus ersehen kann, was Gegenstand der Anklage bildet.
3.2 Wer eine Person zur Duldung einer beischlafsähnlichen oder einer anderen sexuellen Handlung nötigt, namentlich indem er sie bedroht, Gewalt anwendet, sie unter psychischen Druck setzt oder zum Widerstand unfähig macht, wird mit Freiheitsstrafe bis zu zehn Jahren oder Geldstrafe bestraft (Art. 189 Abs. 1 StGB).
Die sexuellen Nötigungstatbestände verbieten den Angriff auf die sexuelle Freiheit. Sie gelten als Gewaltdelikte und sind damit prinzipiell als Akte physischer Aggression zu verstehen. Dabei stellt aber die Tatbestandsvariante des Unter-psychischen-Druck-Setzens klar, dass sich die tatbestandsmässige Ausweglosigkeit der Situation auch ergeben kann, ohne dass der Täter eigentliche Gewalt anwendet. Es kann vielmehr genügen, dass dem Opfer eine Widersetzung unter solchen Umständen aus anderen Gründen nicht zuzumuten ist. Diese Umstände müssen eine Qualität erreichen, die sie in ihrer Gesamtheit als instrumentalisierte, so genannte strukturelle Gewalt erscheinen lassen (BGE 131 IV 107 E. 2.2 S. 109, mit Hinweis). Je nach den Umständen und den Beziehungen zum Täter kann ein Kind wegen seiner kognitiven Unterlegenheit und seiner Abhängigkeit in emotionaler und sozialer Hinsicht den Bedürfnissen des Täters mehr oder weniger ausgeliefert sein. Gerade bei der sexuellen Ausbeutung durch Täter im sozialen Nahraum wird körperliche Gewalt vielfach gar nicht erforderlich sein, weil die Täter gezielt die entwicklungsbedingte emotionale Abhängigkeit und Bedürftigkeit der betroffenen Kinder auszunützen pflegen. Kognitive Unterlegenheit und emotionale wie soziale Abhängigkeit können bei Kindern einen ausserordentlichen psychischen Druck bzw. eine damit vergleichbare Unterlegenheit erzeugen, die es ihnen verunmöglicht, sich gegen sexuelle Übergriffe zu wehren. Dies wird namentlich beim Missbrauch durch Autoritätsträger des gleichen Haushalts in Betracht zu ziehen sein, weil hier Ängste um den Verlust der Zuneigung unmittelbar zur ernsten Bedrohung werden können (BGE 128 IV 97 E. 2b aa S. 99 f., mit Hinweis). Der Begriff der Instrumentalisierung struktureller Gewalt darf jedoch nicht als Ausnützung vorbestehender gesellschaftlicher oder privater Machtverhältnisse missverstanden werden. Es muss für die Erfüllung des Tatbestands durch den Täter eine "tatsituative Zwangssituation" nachgewiesen sein (BGE 133 IV 49 E. 4 S. 53; 131 IV 107 E. 2.4 S. 111 f., je mit Hinweisen).
3.3 Die Vorinstanz verneint die Verletzung des Anklageprinzips. Aus der Anklageschrift ergebe sich, worin die Untersuchungsbehörde die Erfüllung der Tatbestandsvariante des "Unter-psychischen-Druck-Setzens" erblicke. So werde das "Stiefverhältnis" zwischen dem Beschwerdeführer und den drei Geschädigten erwähnt. Weiter führe die Anklageschrift aus, dass die dem Beschwerdeführer vorgeworfenen Handlungen am Familien- bzw. Feriendomizil begangen worden seien. Ebenfalls sei das Alter der Geschädigten ersichtlich. Aus den genannten Umständen werde geschlossen, dass die Geschädigten die Handlungen nur wegen ihrer kognitiven Unterlegenheit und infolge ihrer sozialen und emotionalen Abhängigkeit über sich ergehen liessen (vgl. angefochtenes Urteil S. 12 f.).
3.4 Der Beschwerdeführer bringt vor, die Bestimmung von Art. 189 Abs. 1 StGB verlange, dass der Täter das Opfer zum Zwecke der Tathandlungen unter anderem unter psychischen Druck setze. Diese Bestimmung sei grundsätzlich zurückhaltend auszulegen, weshalb aus der Anklageschrift im Detail hervorgehen müsse, worin die angeblichen Handlungen des Täters bestanden haben sollten. Insbesondere sei darzutun, dass das Opfer durch den Täter in seiner Willensentschliessung in einschränkender Weise beeinflusst worden sei. Der allgemeine Hinweis auf das Alter der Opfer, auf die Tatörtlichkeiten und auf das Stiefvaterverhältnis vermöge allein noch keine kognitive Unterlegenheit bzw. keine soziale und emotionale Abhängigkeit zu umschreiben. Das Bundesgericht verlange Umstände, die instrumentalisierter bzw. struktureller Gewalt gleichzusetzen seien. Es müssten konkrete Sachverhalte aufgezeigt werden, aus welchen die Dauerhaftigkeit und Erheblichkeit des psychischen Drucks hervorgehen. So hätte die Anklageschrift anhand von Beispielen, wie das Versprechen von Geschenken oder die Androhung von Nachteilen bei Bekanntgabe der sexuellen Handlungen an Dritte, aufzeigen müssen, dass die Opfer in ihrer Willensentschliessung in einschränkender Weise beeinflusst worden seien. Die Nötigungshandlung im Sinne des "Unter-psychischen-Druck-Setzens" mittels instrumentalisierter struktureller Gewalt ergebe sich nicht bereits aus der Unterlegenheit und der Abhängigkeit der jeweiligen Opfer vom Täter. In der Anklageschrift fehle die Umschreibung einer tatsituativen Zwangswirkung vollends. Auf die Anklage wäre deshalb nicht einzutreten gewesen (Beschwerde S. 5).
3.5 Der Beschwerdeführer bringt zu Recht vor, dass die Anklageschrift nur vorbestehende Verhältnisse aufführt, welche für sich allein nicht zu einer Nötigungssituation im Sinne von Art. 189 Abs. 1 StGB führen. Die Vorinstanz erwähnt im Rahmen der rechtlichen Würdigung, der Beschwerdeführer habe den Geschädigten ein Schweigegebot auferlegt und ihnen nach Vornahme der sexuellen Handlungen oftmals etwas geschenkt. Die geschilderten Umstände würden weit über die blosse Ausnützung eines vorbestehenden privaten Machtverhältnisses zwischen dem Beschwerdeführer und den Geschädigten hinausgehen, weshalb sie als "strukturelle Gewalt" zu qualifizieren seien (vgl. angefochtenes Urteil S. 19 ff.). Ob diese knappe Begründung für die Bejahung eines psychischen Druckes im Sinne von Art. 189 Abs. 1 StGB ausreichend wäre, ist fraglich. Aus der Anklageschrift ist jedenfalls nicht ersichtlich, inwiefern der Beschwerdeführer im Einzelnen eine tatsituative Zwangssituation geschaffen hat. Demzufolge konnte er auch seine Verteidigungsrechte nicht angemessen ausüben. Die Anklageschrift erweist sich sowohl angesichts ihrer Umgrenzungs- als auch Informationsfunktion als ungenügend, weshalb die Beschwerde in diesem Punkt begründet ist. Dies führt zur Aufhebung des angefochtenen Urteils, so dass sich die Beurteilung der weiteren Rügen erübrigt.
4. Demgemäss ist die Beschwerde gutzuheissen. Der angefochtene Entscheid ist aufzuheben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen (Art. 107 Abs. 2 BGG). Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird damit gegenstandslos. Es sind keine Gerichtskosten zu erheben (Art. 66 Abs. 4 BGG). Der Kanton Zürich hat dem Beschwerdeführer dessen Parteikosten zu ersetzen (Art. 68 Abs. 2 BGG). Die Entschädigung ist dem Vertreter des Beschwerdeführers zuzusprechen.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird gutgeheissen, der Entscheid des Obergerichts des Kantons Zürich vom 21. September 2007 aufgehoben und die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird als gegenstandslos abgeschrieben.
3. Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
4. Der Kanton Zürich hat dem Vertreter des Beschwerdeführers, Rechtsanwalt Urs Vögeli, Zürich, eine Parteientschädigung von Fr. 3'000.-- auszurichten.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 28. August 2008
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Schneider Binz