Sachverhalt:
A. Das Landgericht Uri sprach X._ mit Urteil vom 11. November 2008 wegen mehrfacher sexueller Handlungen mit Kindern (Art. 187 Ziff. 1 StGB), mehrfacher sexueller Nötigung (Art. 189 Abs. 1 StGB), mehrfacher Drohung (Art. 180 Abs. 1 und Abs. 2 lit. a StGB) sowie mehrfacher Pornographie (Art. 197 Ziff. 1 und Ziff. 3bis StGB) schuldig. Es bestrafte X._ mit fünf Jahren Freiheitsstrafe (unter Anrechnung der erstandenen Untersuchungshaft von insgesamt 50 Tagen) und ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an.
Das Landgericht hielt namentlich für erwiesen, dass sich X._ wie angeklagt von 1994 bis 1998 an seiner Tochter A._ sowie von 2001 bis 2006 an seiner Tochter B._ unter teilweisem Einsatz von Gewalt (Festhalten) und Drohungen (die Mutter oder sie umzubringen) sexuell vergangen hatte. Er habe die Kinder über Jahre hinweg regelmässig im Intimbereich ausgegriffen, habe sich zu ihnen ins Bett gelegt und sein erregtes Geschlechtsteil an sie gedrückt und hätte sie gezwungen, Pornovideos anzuschauen. Die Übergriffe hätten bei A._ sehr oft stattgefunden, mindestens einmal wöchentlich, bei B._ am Anfang täglich, teilweise gar mehrmals am Abend, später ebenfalls ca. einmal wöchentlich. Er sei zudem je einmal mit den Fingern in die Scheiden seiner Töchter eingedrungen und B._ habe ihn dabei - während eines Pornofilms - manuell befriedigen müssen, wobei der Vater seine Zunge in ihren Mund geführt habe. Sie sei damals 10 Jahre alt gewesen. Anfangs März 2007 habe er seiner Ehefrau und A._ gedroht, sie alle umzubringen, wenn man ihn anzeige. Die geltend gemachten sexuellen Übergriffshandlungen auf seine Tochter C._ (angebliche Tatzeit 1991 bis ca. 1996) erklärte das Landgericht Uri für verjährt.
Die dagegen erhobene Berufung des Beurteilten wies das Obergericht des Kantons Uri am 9. März 2010 ab.
B. X._ wendet sich mit Beschwerde ans Bundesgericht. Wie bereits vor den kantonalen Gerichtsinstanzen beantragt er seine Freisprechung von den Vorwürfen, je einmal mit den Fingern in die Scheiden seiner Töchter eingedrungen zu sein und B._ überdies gezwungen zu haben, ihn manuell zu befriedigen. Im Übrigen sei er gemäss Anklage schuldig zu sprechen und mit einer bedingt vollziehbaren Freiheitsstrafe von 2 Jahren unter Anordnung einer ambulanten Massnahme zu bestrafen.
C. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.
Erwägungen:
1. 1.1 Die Vorinstanz geht im angefochtenen Entscheid auch in Bezug auf die vom Beschwerdeführer vor den kantonalen Gerichtsinstanzen bestrittenen Missbrauchshandlungen (Einführen des/der Finger in die Scheiden beider Töchter; manuelles Befriedigen lassen) von der Glaubhaftigkeit der Aussagen der Opfer aus. Es sei nicht ersichtlich, weshalb sie gerade bezüglich dieser Übergriffe nicht die Wahrheit gesagt haben sollten. Diesbezüglich könne auch auf die von B._ verfasste SMS vom 12. Dezember 2006 verwiesen werden. Darin schildere diese ihrer Schwester C._ das Befriedigen müssen des Vaters: "epis hani diär nit gseit...ich cha das eifach nit...drum schriebis jetzt...det wo das z erschtä mal passiärt isch het er mich id stuba gholt und miär pornos zeigt..dä ha ich ihm eis miäsä wixä und er het mr zungä i hals hindärä gsteckt [...]". Zu diesem Zeitpunkt sei noch kein Strafverfahren hängig gewesen. Es sei nicht darum gegangen, dem Beschwerdeführer etwas anzuhängen. Die Angaben der Opfer seien authentisch und zeigten, dass sich das Ganze so abgespielt habe wie von ihnen geschildert. Der Beschwerdeführer habe anlässlich der Schlusseinvernahme beim Verhörrichter im Übrigen selber angegeben, er könne sich an die fraglichen Vorfälle zwar nicht mehr genau erinnern, es könne aber sein, dass er das alles gemacht habe.
Diese Sachverhaltsfeststellungen bzw. Beweiswürdigung kritisiert der Beschwerdeführer als offensichtlich falsch im Sinne von Art. 97 BGG bzw. als willkürlich.
1.2 Das Bundesgericht legt seinem Urteil die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz zugrunde (Art. 105 Abs. 1 BGG). Die Feststellung des Sachverhalts kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG; vgl. auch Art. 105 Abs. 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von Art. 97 Abs. 1 BGG ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist. Willkür bei der Beweiswürdigung liegt nach Art. 9 BV vor, wenn die Behörde in ihrem Entscheid von Tatsachen ausgeht, die mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch stehen oder auf einem offenkundigen Fehler beruhen (BGE 135 V 2 E. 1.3; 134 IV 36 E. 1.4.1). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerdeschrift anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 134 II 244 E. 2.2).
1.3 Was der Beschwerdeführer mit Bezug auf die von ihm bestrittenen sexuellen Übergriffshandlungen auf seine Töchter in tatsächlicher Hinsicht einwendet, vermag Willkür nicht zu begründen. Dafür, dass ihm die Opfer schwerwiegendere Übergriffe als die tatsächlich vorgefallenen zur Last gelegt bzw. insoweit wahrheitswidrig ausgesagt haben sollen, finden sich keinerlei Hinweise. Die Vorinstanz hat dieses Vorbringen mit nachvollziehbarer Begründung verworfen, insbesondere mit den als stimmig und kongruent beurteilten Aussagen der Opfer, die keine Aggravierungstendenzen aufweisen würden, dem Verweis auf die SMS vom 12. Dezember 2006 und der Würdigung der eigenen Aussagen des Beschwerdeführers (vgl. angefochtenen Entscheid, S. 11 - 13 mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil, S. 16 f.). Darauf geht dieser in seiner Beschwerde vor Bundesgericht indessen nicht substanziiert ein, sondern greift die vorinstanzliche Beurteilung betreffend die Glaubhaftigkeit der Aussagen der Opfer mit neuen tatsächlichen Argumenten an. Ein solches Vorgehen ist im Sinne von Art. 99 Abs. 1 BGG unzulässig. Abgesehen davon sind die Einwände in der Beschwerde aber auch appellatorischer Natur oder gehen an der Sache vorbei. So verkennt der Beschwerdeführer, dass er den letzten Übergriff im Dezember 2006 zum Nachteil von B._ mit der am 18. September 2006 erfolgten Operation seiner Aorta nicht in Frage zu stellen vermag, zumal ein solche Operation der Vornahme einer sexuellen Handlung wie der ihm vorgeworfenen - dem Ausgreifen des Intimbereichs - nicht entgegensteht. Ebenso wenig kann er aus dem Zeitpunkt der Anzeigeerstattung vom März 2007 etwas für seinen Standpunkt ableiten. Seine diesbezüglichen Ausführungen erschöpfen sich in durch nichts belegte Behauptungen. Dasselbe gilt für die vom Beschwerdeführer angehobene Diskussion über die Motivation seiner Töchter zur Anzeigeerstattung und behaupteten Mehrbelastung. Dafür, dass ihn diese aus Solidarität zur Mutter im Rahmen eines Ehekonflikts, welcher durch eine Fremdbeziehung der Ehefrau ausgelöst worden sein soll, angezeigt und ungerechtfertigt mehrbelastet haben, bestehen keinerlei Hinweise. Der Beschwerdeführer setzt der Beweiswürdigung der Vorinstanz insoweit lediglich seine eigene Sicht der Dinge gegenüber. Nicht anders verhält es sich schliesslich, soweit er mit Bezug auf die Würdigung seiner eigenen Aussagen geltend macht, die von ihm bestrittenen Sachverhalte nur gestanden zu haben, weil man ihm die Entlassung aus der Untersuchungshaft in Aussicht gestellt habe. Für ein solchermassen seitens der Untersuchungsbehörde erwirktes "Geständnis unter Druck" finden sich keinerlei Anhaltspunkte. Im Übrigen erscheint das fragliche Vorbringen mit Blick auf das nicht konstante Aussageverhalten des Beschwerdeführers (vgl. hierzu angefochtenen Entscheid, S. 11 mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil, S. 16) geradezu als haltlos.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung und rügt eine Verletzung von Art. 47 StGB und Art. 19 Abs. 2 StGB. Er macht geltend, die Strafe sei deutlich zu hoch ausgefallen. Die Vorinstanz habe bei der Festsetzung der Strafe massgebliche, zu seinen Gunsten sprechende Umstände zu Unrecht nicht strafmindernd berücksichtigt. Es erscheine eine bedingt vollziehbare Freiheitsstrafe von zwei Jahren als angemessen.
2.2 Der Beschwerdeführer beging sämtliche zu beurteilenden Straf-taten vor Inkrafttreten des neuen Allgemeinen Teils des Strafgesetzbuches am 1. Januar 2007. Das neue Recht ist auf die vor diesem Zeitpunkt begangenen Taten anzuwenden, falls es milder ist (Art. 2 Abs. 2 StGB). Ohne diese Frage vorliegend zu prüfen, wendet die Vorinstanz das neue Recht an. 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 mit Hinweisen). Freiheitsentziehende Strafen des früheren Rechts (Gefängnis oder Zuchthaus) und des neuen Rechts (Freiheitsstrafe) sind gleichwertig, soweit sie unbedingt ausgesprochen werden. Spricht die Vorinstanz eine Freiheitsstrafe von 5 Jahren und somit eine unbedingte Strafe aus, ist das neue Recht nicht milder, sondern ebenso streng. Folglich ist das alte Recht gemäss Art. 63 ff. aStGB anwendbar (Art. 2 Abs. 2 StGB). Dass die Vorinstanz fälschlicherweise das neue Recht anwendet, schadet dem Beschwerdeführer insofern nicht, als dieses vorliegend mit dem alten Recht gleichwertig ist.
2.3 Nach Art. 63 aStGB (neu Art. 47 StGB) misst das Gericht die Strafe nach dem Verschulden des Täters zu. Es berücksichtigt die Beweggründe, das Vorleben und die persönlichen Verhältnisse. Das Verschulden wird nach der Schwere der Verletzung oder Gefährdung des betroffenen Rechtsguts, nach der Verwerflichkeit des Handelns, den Beweggründen und Zielen des Täters sowie danach bestimmt, wie weit der Täter nach den inneren und äusseren Umständen in der Lage war, die Gefährdung oder Verletzung zu vermeiden. Der Umfang der Berücksichtigung verschiedener Strafzumessungsfaktoren liegt im Ermessen der kantonalen Behörde. Das Bundesgericht kann in die Strafzumessung nur eingreifen, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat sowie wenn sie massgebende Kriterien ausser Acht gelassen, nicht oder falsch gewichtet hat. Das Gericht muss die Überlegungen, die es bei der Bemessung der Strafe vorgenommen hat, in den Grundzügen wiedergeben, so dass die Strafzumessung nachvollziehbar ist (vgl. BGE 134 IV 17 E. 2.1; 129 IV 6 E. 6.1; 127 IV 101 E. 2).
2.4 Die Vorinstanz geht im Rahmen ihrer Strafzumessungserwägungen zutreffend von einem theoretisch erweiterten Strafrahmen (wegen mehrfacher Tatbegehung und Verstoss gegen mehrere Strafbestimmungen) von 15 Jahren aus (Art. 68 Ziff. 1 aStGB; vgl. Art. 49 StGB). Das Verschulden des vom Gutachter als voll schuldfähig beurteilten Beschwerdeführers bezeichnet sie als sehr schwer. Er sei sich seiner pädophilen Neigungen bewusst gewesen und habe seine Bedürfnisse über rund 9 Jahre hinweg ungeachtet der Interessen seiner Kinder in rücksichtsloser Weise ausgelebt und sie teilweise unter Einsatz von körperlicher Gewalt (Festhalten) und Drohungen (unter anderem Umbringen der Mutter) für die Befriedigung seiner Triebe missbraucht. Er sei sehr zielgerichtet vorgegangen und habe jede Gelegenheit genutzt, um seine Taten zu begehen. Es sei von einer sehr grossen Anzahl von Missbrauchshandlungen auszugehen. Gegenüber A._ hätten die Übergriffe über Jahre hinweg wöchentlich mindestens einmal stattgefunden. B._ habe der Beschwerdeführer zu Beginn fast täglich, manchmal sogar mehrere Male pro Abend, missbraucht, später ebenfalls wöchentlich. Die Opfer seien im Zeitpunkt der Taten zwischen 10 und 16 Jahre alt gewesen, also eine Zeit, die für die Persönlichkeitsentwicklung und die sexuelle Entwicklung des Kindes von grosser Bedeutung sei. Namentlich bei B._ habe der Beschwerdeführer mit seinen Übergriffen und schweren Einschüchterungen sichtbare Schäden in Form von Verhaltensauffälligkeiten verursacht (schulische Leistungseinbussen, Minderung der Lebensfreude, Verschlechterung des psychischen Zustands, Ritzen der Arme). Eine über das normale Ausmass hinausgehende Strafempfindlichkeit des Beschwerdeführers sei bezüglich der von ihm geltend gemachten Umstände wie unter anderem Alter und Gesundheit nicht zu erkennen. Hingegen könne seine Vorstrafenlosigkeit und sein Geständnis bei der Festsetzung der Strafe berücksichtigt werden. Insgesamt und im Vergleich mit 6B_470/2009 vom 23. November 2009 erweise sich eine Freiheitsstrafe von 5 Jahren als angemessen.
2.5 Die ausgefällte Strafe von 5 Jahren - bei einem erweiterten Strafrahmen von 15 Jahren - und die Strafzumessungsbegründung sind entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers, jedenfalls im Ergebnis, nicht zu beanstanden. Zwar überzeugen die Erkenntnisse der Vorinstanz nicht, welche sie aus dem Vergleich mit dem von ihr herangezogenen Fall 6B_470/2009 zieht, lässt sich doch daraus - mit Blick auf den grundsätzlich anders liegenden Sachverhalt - strafzumessungsrechtlich nichts für den zu beurteilenden Fall ableiten. Doch setzt sie das Strafmass im angefochtenen Entscheid im Sinne von Art. 63 aStGB individuell nach dem Verschulden des Beschwerdeführers fest, ohne dass sich sagen liesse, sie sei von falschen Voraussetzungen ausgegangen bzw. sie habe die massgebenden Grundsätze der Strafzumessung unrichtig angewendet. Das Verschulden des Beschwerdeführers stuft die Vorinstanz - angesichts der Intensität der sexuellen Übergriffe, des überaus langen Deliktszeitraums von rund neun Jahren, des krass egoistischen Motivs der eigenen Triebbefriedigung, des groben Missbrauchs der Vertrauensverhältnisse bzw. der Eltern-Kind-Beziehung sowie der Schwere der Einschüchterungen und der nachweisbaren Auswirkungen auf das Leben von B._ - als sehr schwer ein. Diese Beurteilung ist bundesrechtlich nicht zu beanstanden.
Zu Recht schliesst die Vorinstanz eine Verminderung der Schuldfähigkeit des Beschwerdeführers im Sinne von Art. 11 aStGB (Art. 19 StGB) aus. Sie stützt sich auf die Schlussfolgerungen des psychiatrischen Gutachtens vom 7. September 2007 der Luzerner Psychiatrie. Dass diese Schlussfolgerungen - wie in der Beschwerde geltend gemacht wird - widersprüchlich sein sollten, ist nicht ersichtlich. Der Gutachter geht bei seiner Beurteilung von einer Störung der Sexualpräferenz im Sinne einer heterosexuellen Pädophilie aus, die zwar ausgeprägt, nicht aber schwergradig sei und die Einsichts- bzw. Steuerungsfähigkeit des Beschwerdeführers zur Tatzeit in keiner Weise eingeschränkt habe (Gutachten, S. 34 ff. und S. 40). Diese Ausführungen sind klar und schlüssig. Der Beschwerdeführer verkennt, dass eine psychische Störung - auch wenn sie erheblich ist - die Einsichts- oder Steuerungsfähigkeit des Betroffenen nicht zwingend beeinträchtigen muss. Bei dieser Sachlage durfte die Vorinstanz daher ohne weiteres auf die beanstandeten Folgerungen des Gutachters abstellen.
Die Vorinstanz verletzt auch kein Bundesrecht, wenn sie unter dem Titel der Strafempfindlichkeit erwägt, dass weder das Alter noch die gesundheitlichen Probleme des 1953 geborenen Beschwerdeführers für eine Strafminderung ausreichen. Aus dem Umstand, dass er eine halbe Invalidenrente bezieht, kann dieser strafzumessungsrechtlich nichts für sich ableiten, zumal die Berentung "nur" etwas über seine Erwerbsunfähigkeit (wirtschaftlicher Aspekt der Leistungsverminderung) auszusagen vermag, nichts aber über eine allenfalls das normale Mass übersteigende Leidempfindlichkeit. Eine solche Leidempfindlichkeit bzw. aussergewöhnliche Umstände in Bezug auf seine mit der Aorta-Operation im Zusammenhang stehenden gesundheitlichen Schwierigkeiten sind hier im Übrigen auch nicht ersichtlich (vgl. hierzu Urteile 6S_9/2004 E. 3 vom 9. September 2004 sowie 6S.120/2003 E. 2.2 vom 17. Juni 2003). Das Gleiche gilt für die vom Beschwerdeführer geltend gemachte Isolation von seiner Familie und vom Bekanntenkreis sowie für seine finanzielle Situation. Eine über das durchschnittliche Mass hinausgehende Belastung ist, wie die Vorinstanz zu Recht ausführt, nicht erkennbar. Nicht zu übersehen ist im Übrigen, dass der Beschwerdeführer die Isolation von der Familie selber verschuldet hat, was strafzumessungsrechtlich nicht zu seinen Gunsten berücksichtigt werden kann.
Dem weitgehenden Geständnis bzw. der kooperativen Haltung des Beschwerdeführers gegen Ende der Untersuchung, worin dessen Verpflichtung zur Leistung einer Genugtuung mit enthalten ist, sowie der Vorstrafenlosigkeit tragen sowohl die erste Instanz als auch die Vorinstanz bei der Strafzumessung Rechnung (vgl. angefochtenes Urteil, S. 17, erstinstanzliches Urteil, S. 27). Die Kritik in der Beschwerde geht somit an der Sache vorbei. Selbst wenn die Vorinstanz die Vorstrafenlosigkeit nicht strafmindernd berücksichtigt hätte, läge im Übrigen keine Bundesrechtsverletzung vor, zumal die Straffreiheit nach der Rechtsprechung des Bundesgerichts nur noch ausnahmsweise - sofern sie auf eine aussergewöhnliche Gesetzestreue hinweist - strafmindernd zu berücksichtigen ist (BGE 136 IV 1). Dass derartige Umstände hier vorliegen, ist nicht ersichtlich.
Ein Wohlverhalten seit der Tat stellt keine besondere Leistung dar. Die Straffreiheit während des hängigen Verfahrens ist daher neutral zu werten (Urteile 6B_242/2008 vom 24. September 2008 E. 2.1.2; 6S.85/2006 vom 27. Juni 2006 E. 2.4). Der Umstand, dass sich der Beschwerdeführer seit der Entlassung aus der Untersuchungshaft bzw. während des hängigen Verfahrens nichts mehr zu Schulden kommen liess, führt demnach nicht zu einer Strafminderung (vgl. Urteil 6B_87/2010 vom 17. Mai 2010 E. 5.4).
Damit geht die Vorinstanz insgesamt von den massgeblichen Strafzumessungskriterien aus. Die Annahme eines sehr schweren Verschuldens ist bundesrechtlich nicht zu beanstanden. Die ausgefällte Freiheitsstrafe von fünf Jahren ist angesichts des "pausenlosen" Zustands des Missbrauchs, des sehr langen Deliktszeitraums und der schweren Einschüchterungen der Opfer mit Todesdrohungen gegen die Mutter angemessen. Ein bedingter Strafvollzug im Sinne von Art. 42 StGB fällt bei diesem Strafmass ausser Betracht.
3. Damit ist die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf überhaupt eingetreten werden kann. Da das Rechtsmittel von vornherein aussichtslos war, kann dem Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege nicht entsprochen werden (Art. 64 Abs. 1 BGG). Die Kosten des Verfahrens vor Bundesgericht sind dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Dabei ist seinen finanziellen Verhältnissen Rechnung zu tragen (Art. 65 Abs. 2 BGG).
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 Uri, Strafrechtliche Abteilung, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 24. August 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Arquint Hill