Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ mit Urteil vom 29. März 2010 der mehrfachen versuchten Vergewaltigung sowie der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern schuldig. Es stellte zudem fest, dass die erstinstanzlichen Schuldsprüche des Bezirksgerichts Winterthur vom 13. Mai 2009 betreffend sexuelle Nötigung, mehrfache Gefährdung des Lebens, Freiheitsberaubung, mehrfache einfache Körperverletzung und mehrfache Nötigung sowie der Freispruch vom Vorwurf des mehrfachen Verabreichens gesundheitsgefährdender Stoffe an Kinder in Rechtskraft erwachsen sind und verurteilte X._ zu einer Freiheitsstrafe von 8 1⁄2 Jahren. Die mitangeklagte Ehefrau von X._, Z._, bestrafte es unter Berücksichtigung der erstinstanzlichen rechtskräftigen Schuldsprüche wegen Gehilfenschaft zu mehrfach versuchter Vergewaltigung sowie mehrfacher sexueller Handlung mit Kindern mit einer Freiheitsstrafe von 3 1⁄2 Jahren.
B. Gegen dieses Urteil erhebt X._ Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben und er sei zu einer Freiheitsstrafe von 5 Jahren zu verurteilen. Die im Urteilszeitpunkt erstandene Haft sei an die Freiheitsstrafe anzurechnen. Es sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu bewilligen.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz verletze bei der Strafzumessung mehrfach Bundesrecht.
1.2 Es liegt im Ermessen des Sachrichters, in welchem Umfang er die verschiedenen Strafzumessungsfaktoren berücksichtigt. Die strafrechtliche Abteilung des Bundesgerichts greift auf Beschwerde in Strafsachen hin nur in die Strafzumessung ein, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat, wenn sie von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist oder wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen beziehungsweise in Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat. Das Gericht ist nicht gehalten, in Zahlen oder Prozenten anzugeben, wie es die einzelnen Strafzumessungskriterien berücksichtigt (BGE 136 IV 55 E. 5.6 S. 61 mit Hinweisen). Alleine einer besseren Begründung wegen hebt das Bundesgericht das angefochtene Urteil nicht auf, solange die Strafzumessung im Ergebnis bundesrechtskonform erscheint (vgl. BGE 127 IV 101 E. 2c S. 105 mit Hinweisen).
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt im Einzelnen, die Vorinstanz lege der Strafzumessung zu Unrecht eine mehrfach versuchte Vergewaltigung zugrunde und gehe daher von einer zu hohen Einsatzstrafe aus. Vielmehr sei von einem untauglichen Versuch nach Art. 22 Abs. 2 StGB auszugehen. Über das verwendete Schlafmittel sei nichts bekannt. Es sei nicht einmal festzustellen, ob es sich überhaupt um ein Schlafmittel gehandelt habe. Nach den Angaben seiner Ehefrau habe sie dem Opfer möglicherweise das Medikament "Benocten" verabreicht, welches kein Schlafmittel im engeren Sinn sei und keine Widerstandsunfähigkeit bewirken könne. Das Mittel habe beim Opfer denn auch keine Wirkung gezeigt. Aufgrund der mangelhaften Deutschkenntnisse seiner Ehefrau, welche nicht in der Lage gewesen sei, die Erklärungen in der Apotheke hinsichtlich der Dosierung oder Wirkungen des Medikaments zu verstehen, sei davon auszugehen, dass es sich um ein untaugliches Tatmittel gehandelt habe. Das Ausbleiben der Widerstandsunfähigkeit sei einzig seinem Unverstand bzw. demjenigen seiner Ehefrau zuzuschreiben. Die hypothetische Einsatzstrafe sei infolge untauglichen Versuchs auf fünf Jahre herabzusetzen.
2.2 Die für die Strafzumessung massgebliche Feststellung des Sachverhalts kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung nach Art. 95 beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG). Der Beschwerdeführer beanstandet die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung nicht. Soweit er vom vorinstanzlichen Urteil abweicht oder diesen ergänzt (z.B. zum eingesetzten Medikament, zu dessen Wirkung und zu den Deutschkenntnissen seiner Ehefrau), ohne die Rüge der willkürlichen Sachverhaltsfeststellung zu erheben bzw. diese näher zu begründen, ist auf seine Beschwerde nicht einzutreten (vgl. Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 136 I 65 E. 1.3.1 S. 68 mit Hinweisen).
2.3 Nach den verbindlichen Feststellungen der ersten Instanz, welche die Vorinstanz ihrem Urteil zugrunde legt, verwendeten der Beschwerdeführer und seine Ehefrau ein nicht näher bekanntes Schlafmittel für Erwachsene, wobei sie dem Opfer jeweils eine Tablette verabreichten. Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers ist ein Schlafmittel für Erwachsene nicht prinzipiell ungeeignet, die Widerstandsunfähigkeit des im Tatzeitpunkt elfjährigen Opfers zu bewirken. Dass die Vorinstanz nicht von einem untauglichen Vergewaltigungsversuch im Sinne von Art. 190 Abs. 1 StGB i.V.m. Art. 22 Abs. 2 StGB ausgeht, ist nicht zu beanstanden. Die Angemessenheit der Einsatzstrafe ist unter diesem Aspekt nicht in Frage zu stellen.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer macht weiter geltend, die sexuellen Handlungen an seiner Stieftochter beruhten ab Ende 2006 auf einem einheitlichen Willensentschluss. Er sei hinsichtlich Ort, Zeit und Art immer gleich vorgegangen und habe die sexuellen Handlungen über Monate hinweg zielgerichtet ausgebaut. Es handle sich um ein wiederkehrendes Verhaltensmuster. Die Delikte nach Art. 187 und Art. 190 StGB seien nicht als Einzelakte, sondern als Dauerdelikt zu werten. Er verlangt, die Einsatzstrafe sei für die einzelnen sexuellen Handlungen nicht im Sinne von Art. 49 Abs. 1 StGB zu erhöhen.
3.2 Nach der Rechtsprechung des Bundesgerichts erfordern die Tatbestände der Vergewaltigung und der sexuellen Handlungen mit Kindern kein dauerhaftes oder aus mehreren Einzelhandlungen bestehendes Verhalten und bilden somit keine tatbestandliche Handlungseinheit. Dass sexuelle Handlungen zum Nachteil kindlicher Opfer häufig wiederholt begangen werden oder sich über einen längeren Zeitraum erstrecken, ändert nichts an der Natur dieser Delikte als Einzeltaten (vgl. Urteil 6S.397/2005 vom 13. November 2005 E. 2.3.1). Nichts anderes kann im vorliegenden Fall gelten, wo der Beschwerdeführer seine Stieftochter immer wieder über einen Zeitraum von zwei Jahren missbrauchte.
Auch eine natürliche Handlungseinheit ist vorliegend zu verneinen. Die dem Beschwerdeführer vorgeworfenen Taten stellen punktuelle, klar abgegrenzte Handlungen dar, welche sich zu unterschiedlichen Zeiten über mehrere Jahre zutrugen. Der Beschwerdeführer musste jeweils den geeigneten Moment abwarten, um zur Tat zu schreiten, sich namentlich vergewissern, dass sein Opfer anwesend war oder die Schlaftablette eingenommen hatte. Deshalb stellen die ihm zur Last gelegten Taten Einzelhandlungen dar, welche auf einem separaten Willensentschluss beruhen (vgl. Urteil 6S.397/2005 vom 13. November 2005 E. 2.3.2 mit Hinweisen, das in E. 2.2 auch Bezug nimmt auf BGE 131 IV 83 E. 2.4 S. 90 ff., wo die verjährungsrechtliche Einheit und die vom Beschwerdeführer zitierte Rechtsprechung in BGE 120 IV 6 aufgegeben wurde). Eine Verletzung von Bundesrecht ist insoweit nicht ersichtlich.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer rügt, die Strafe sei zu hoch ausgefallen. Die Vorinstanz verletze Art. 47 StGB sowie Art. 49 StGB. Das Asperationsprinzip führe zu einer unangemessenen hypothetischen Einsatzstrafe. Die Strafe müsse anhand einer Gesamtwürdigung als angemessen erscheinen. Dabei sei sie innerhalb des ordentlichen Strafrahmens festzusetzen, selbst wenn mehrere Delikte begangen worden seien. Werde der Strafrahmen durch das Asperationsprinzip beispielsweise von 10 auf 15 Jahre ausgedehnt und die Strafe bei einem mittelschweren Verschulden anhand des erweiterten Strafrahmens von 15 Jahren festgesetzt, so führe dies zu unrichtigen Ergebnissen. Die Höhe der Strafe müsse mit der Bewertung des Verschuldens übereinstimmen.
Zudem seien die Reue und das Geständnis zu wenig strafmindernd berücksichtigt worden. Er habe die Untersuchung durch sein Geständnis wesentlich erleichtert und den Strafverfolgungsbehörden ermöglicht, Delikte aufzudecken, welche ihm andernfalls nicht hätten nachgewiesen werden können. Da er seine Ehefrau habe schützen wollen, sei er erst im Laufe der Untersuchung geständig gewesen. Entgegen der Auffassung der Vorinstanz habe er sein Geständnis nicht relativiert. Er sehe ein, dass er schwere Fehler gemacht habe und bereue diese. Er habe lediglich erklären wollen, wie er seine Handlungen im Tatzeitpunkt verstanden habe. Die ihm vorzuwerfende kriminelle Energie sei mit einer Freiheitsstrafe von 5 Jahren zu sanktionieren. Diese Strafe stehe in einem angemessenen Verhältnis zur Sanktion, welche nach einem Urteil des Bundesgerichts im Strassenverkehrsbereich für die eventualvorsätzliche Tötung ausgefällt worden sei.
4.2 Die vorinstanzliche Strafzumessung berücksichtigt alle entscheidwesentlichen Punkte (vgl. angefochtenes Urteil S. 13 bis 25). Deren detailliert vorgenommene Gewichtung ist nicht zu beanstanden. Selbst wenn den Vorbringen des Beschwerdeführers Rechnung getragen und die Einsatzstrafe bloss innerhalb des ordentlichen Strafrahmen festgesetzt wird, erscheint diese nicht als bundesrechtswidrig. Denn sie liegt mit 7 1⁄2 bis 8 Jahren im oberen Bereich des ordentlichen Strafrahmens von zehn Jahren Freiheitsstrafe für eine einzelne Vergewaltigung (Art. 190 Abs. 1 StGB). Sie korrespondiert mit dem schweren Verschulden. Dass die Vorinstanz dem Beschwerdeführer eine gewisse, nicht aber vollständige Einsicht in das Unrecht seiner Taten zugesteht und das Geständnis sowie die Reue bloss leicht strafmindernd wertet, erweist sich in Anbetracht der zurückhaltenden bundesgerichtlichen Prüfung der Strafzumessung als bundesrechtskonform. Nicht stichhaltig sind die vom Beschwerdeführer als Vergleichsfälle angeführten Straftaten im Strassenverkehrsbereich. Sie sind sowohl in objektiver (Tötung eines Menschen) als auch in subjektiver Hinsicht (Eventualvorsatz) anders gelagert. Zudem handelt es sich um Einzeltaten. Soweit der Beschwerdeführer auf sein Plädoyer vor Vorinstanz verweist, ist er nicht zu hören. Denn die Begründung muss in der Beschwerde selbst enthalten sein. Ein Verweis auf frühere Rechtsschriften oder auf die Verfahrensakten ist unzulässig (vgl. BGE 133 II 396 E. 3.1 S. 399 f. mit Hinweisen). Insgesamt verletzt die vorinstanzliche Strafzumessung kein Bundesrecht.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch des Beschwerdeführers um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos erschien (Art. 64 Abs. 1 BGG). Bei diesem Ausgang wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Seine angespannte finanzielle Situation ist bei der Bemessung der Gerichtskosten zu berücksichtigen.
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. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 21. Oktober 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Koch