Sachverhalt:
A. Das Bezirksgericht Uster sprach X._ mit Urteil vom 23. Januar 2008 unter anderem der sexuellen Nötigung schuldig und verurteilte ihn zu einer teilbedingten Freiheitsstrafe von zwei Jahren und sechs Monaten. Dagegen erhob X._ Berufung. Das Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, bestätigte mit Urteil vom 27. November 2008 den Schuldpunkt. Die teilbedingte Freiheitsstrafe reduzierte es auf zwei Jahre und drei Monate.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben. Zudem ersucht er um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. Die Vorinstanz geht für die Verurteilung wegen sexueller Nötigung von folgendem Sachverhalt aus:
Der Beschwerdeführer ergriff Anfang September 2005 nach einem Streit im Badezimmer der gemeinsamen Wohnung seine Ehefrau, die Geschädigte A._, von hinten, und hielt ihr die Hände hinter dem Rücken fest. Er drückte ihren Oberkörper nach unten, so dass sie sich gegen die Badewanne bücken musste und begann, mit dem Penis in ihren After einzudringen. Gegen ihren offenkundigen Willen vollzog er den Analverkehr, wobei sie nicht in der Lage war, sich aus seinem Griff zu befreien. Hierauf packte er sie an den Haaren und zog daran ihren Kopf gewaltsam zu seinem Penis. Er zwang sie, seinen Penis in den Mund zu nehmen, obschon er wusste, dass sie keinen Oralverkehr mochte und sie es ihm erneut sagte. A._ setzte sich nicht zur Wehr, weil sie dazu nicht in der Lage war und aus Angst, von ihm zusammengeschlagen zu werden.
2. Der Beschwerdeführer rügt eine willkürliche Beweiswürdigung sowie eine Verletzung des Grundsatzes "in dubio pro reo" und des Anspruchs auf rechtliches Gehör.
2.1 Die Vorinstanz hält die Aussagen der Geschädigten als glaubhaft und diejenigen des Beschwerdeführers als nicht überzeugend. Zwar seien die Aussagen der Geschädigten betreffend Zeitpunkt des sexuellen Übergriffs zunächst nicht eindeutig gewesen. Bei der polizeilichen Einvernahme habe sie angegeben, es sei "vergangenes Jahr" gewesen. Im Rahmen der Zeugeneinvernahme, welche unter Beizug eines Dolmetschers durchgeführt worden sei, habe sie September 2005 genannt. Da die sprachliche Kompetenz der Geschädigten im Schweizerdeutsch nicht einwandfrei sei, verweise die Bezeichnung "vergangenes Jahr" nicht zwingend auf das Jahr 2004. Deshalb sei es als erstellt zu erachten, dass sich der Vorfall im September 2005 ereignet habe. Die Sachverhaltsschilderung der Geschädigten ergebe ein in sich stimmiges und realistisches Gesamtbild, welches durch Zeugenaussagen gestützt würde. Ihre Aussagen seien im Kerngeschehen konstant und die Einzelheiten in der Darstellung liessen die Schilderung als glaubhaft und lebensnah erscheinen. Die Geschädigte könne sich daran erinnern, aufgrund des Druckes durch den Beschwerdeführer immer mehr gegen die Badewanne gerutscht zu sein. Die Erklärung, wegen den Kindern nicht laut geschrien zu haben, sei ein plausibles Detail. Auch die Erwähnung, der Beschwerdeführer habe eine Creme verwendet, erscheine als realistisches Detail. Dass die Geschädigte im Verlaufe der Untersuchung eingeräumt habe, auch nach dem geltend gemachten sexuellen Übergriff einvernehmlichen Geschlechtsverkehr gehabt zu haben, vermöge die Glaubhaftigkeit der Sachverhaltsschilderung nicht wesentlich zu schmälern. Es sei davon auszugehen, dass die Geschädigte im Verlaufe ihrer Ehe mehrfach belastende Situationen ausgestanden und sich bemüht habe, die eheliche Beziehung bzw. die Familie nicht aufzugeben. Dass die Geschädigte ihren Ehemann habe loswerden wollen, um sich für eine neue Beziehung freizumachen, sei als Motiv für eine falsche Anschuldigung kaum überzeugend. Sie habe nicht wegen einer sexuellen Nötigung, sondern wegen des Streites mit dem Beschwerdeführer vom 22. November 2005 bzw. der dabei ausgestossenen Drohung Anzeige erstattet. Erst auf Frage durch den einvernehmenden Polizisten sei das andere Thema angesprochen worden. Es erscheine als sehr unwahrscheinlich, dass sie spontan den Entschluss gefasst habe, den Beschwerdeführer eines sexuellen Übergriffs zu beschuldigen. Zudem sei zum damaligen Zeitpunkt noch kein Eheschutzverfahren hängig gewesen. Die Geschädigte habe ausgeführt, dass sie vom Beschwerdeführer zuweilen geschlagen worden sei und deshalb Angst gehabt habe, im Falle eines Widerstandes gegen die sexuelle Nötigung zusammengeschlagen zu werden. Aus Zeugenaussagen gehe klar hervor, dass die Geschädigte von Schlägen des Beschwerdeführers im Verlauf der Ehe berichtet habe. Es sei abwegig, dass die Geschädigte gegenüber den Verwandten ihres Mannes zu Unrecht von Schlägen berichtet haben soll. Schliesslich sei der Umstand, dass die Geschädigte verschiedentlich vor der Antwort habe überlegen müssen, kein Hinweis auf die fehlende Spontanität ihrer Aussagen bzw. eine Falschaussage. Die Unterbrüche liessen sich vielmehr dadurch erklären, dass die im Gastgewerbe tätige Geschädigte nicht gewohnt bzw. fähig sei, sich sprachlich auszudrücken. Zudem habe sie intimste Dinge preisgeben müssen, was ihr zweifellos unangenehm gewesen sei.
Zusammengefasst sei der Sachverhalt rechtsgenügend erstellt. Angesichts dieser Beweislage sei der Antrag des Beschwerdeführers auf erneute Einvernahme der Geschädigten abzuweisen. Die Geschädigte habe glaubhaft ausgesagt, während des Vorfalls Schmerzen gehabt zu haben, weshalb nicht ausgeschlossen sei, dass sie allenfalls kleinere Verletzungen erlitten habe. Deshalb sei der Antrag auf Befragung eines Gerichtsmediziners zur analen Vergewaltigung ebenfalls abzuweisen (angefochtenes Urteil E. 2 S. 8 ff.).
2.2 Der Beschwerdeführer bringt im Wesentlichen vor, die Aussagen der Geschädigten seien weder glaubhaft noch sei sie als Person glaubwürdig. Hinsichtlich der Analyse der belastenden Aussagen sei vom Grundsatz auszugehen, wonach sexuelle Missbrauchserlebnisse die Betroffenen derart unmittelbar und tief berühren, dass sie sich so fest einprägen und auch nach längerer Zeit noch reproduziert werden können. Das unstete Aussageverhalten hinsichtlich des Zeitpunkts des Vorfalls zeige, dass sich die Geschädigte in einem ganz entscheidenden Punkt in Widersprüche verwickle. Von einer spontanen Schilderung des Badezimmervorfalls könne nicht einmal ansatzweise gesprochen werden. Die Schilderung sei sehr knapp und grösstenteils durch suggestive Befragungstechnik zustande gekommen. In den polizeilichen Einvernahmen sei zehn Mal der Vermerk "überlegt" zu finden, wobei es sich um längere Denkpausen gehandelt haben müsse. Die vorinstanzlichen Erklärungen dieser Überlegungspausen seien Spekulationen. Die Vorinstanz hätte die Geschädigte persönlich anhören müssen, um zu diesen Feststellungen zu gelangen. Weiter habe die Geschädigte in keiner Weise dargelegt, was sie während des Vorfalls innerlich gefühlt habe. Entsprechend detailarm sei die Beschreibung des äusseren Geschehensablaufs. Zur analen Vergewaltigung bringt der Beschwerdeführer vor, technisch gesehen sei dies frei stehend bei gebückter Haltung des Oberkörpers kaum möglich. Dies sei bereits keine taugliche Stellung für einvernehmlichen Geschlechtsverkehr, schon gar nicht für eine mit Gewalt verbundene Nötigung. Zudem würden anale Vergewaltigungen sehr häufig zu gravierenden Verletzungen der Geschädigten führen. Er - der Beschwerdeführer - habe vor der Vorinstanz die Befragung eines Gerichtsmediziners zu dieser Thematik beantragt. Die vorinstanzliche Ablehnung dieses Beweisantrags stelle eine Verweigerung des rechtlichen Gehörs dar. Zusammengefasst sei die Beweiswürdigung willkürlich. Im Sinne des Grundsatzes "in dubio pro reo" hätte ein Freispruch erfolgen müssen. Zudem habe die Vorinstanz seinen Anspruch auf rechtliches Gehör verletzt, indem sie seine Beweisanträge auf persönliche Einvernahme der Geschädigten und auf Befragung eines Gerichtsmediziners zur behaupteten analen Vergewaltigung abgelehnt habe.
2.3 Aus der in Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 2 EMRK verankerten Unschuldsvermutung wird die Rechtsregel "in dubio pro reo" abgeleitet. Als Beweiswürdigungsregel besagt sie, dass sich der Strafrichter nicht von einem für den Angeklagten ungünstigen Sachverhalt überzeugt erklären darf, wenn bei objektiver Betrachtung Zweifel bestehen, ob sich der Sachverhalt so verwirklicht hat. Bei der Frage, ob angesichts des willkürfreien Beweisergebnisses erhebliche und nicht zu unterdrückende Zweifel hätten bejaht werden müssen und sich der Sachrichter von dem für den Angeklagten ungünstigen Sachverhalt nicht hätte überzeugt erklären dürfen, steht der Vorinstanz ein weiter Ermessensspielraum zu. Willkür liegt einzig 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. Dabei genügt es nicht, wenn sich der angefochtene Entscheid lediglich in der Begründung als unhaltbar erweist; eine Aufhebung rechtfertigt sich erst, wenn er auch im Ergebnis verfassungswidrig ist (BGE 129 I 173 E. 3.1 S. 178 mit Hinweisen).
Gemäss Art. 42 Abs. 1 BGG ist die Beschwerde zu begründen. Die Begründung hat in gedrängter Form darzulegen, inwiefern der angefochtene Akt Recht verletzt (Art. 42 Abs. 2 Satz 1 BGG). Eine qualifizierte Rügepflicht gilt hinsichtlich der Verletzung von Grundrechten und von kantonalem und interkantonalem Recht. Das Bundesgericht prüft eine solche Rüge nur insofern, als sie in der Beschwerde präzise vorgebracht und begründet worden ist (Art. 106 Abs. 2 BGG, BGE 133 Il 249 E. 1.4.2 S. 254).
2.4 Der Beschwerdeführer zieht die Glaubwürdigkeit der Geschädigten in Zweifel. Die Vorinstanz begründet, wieso das vom Beschwerdeführer behauptete Motiv für eine falsche Anschuldigung nicht überzeugend ist. Der Beschwerdeführer setzt sich grösstenteils nicht mit diesen Erwägungen auseinander, sondern wiederholt seine Ausführungen, welche er in der Berufung vorgebracht hat. Soweit seine Rügen deshalb den Begründungsanforderungen von Art. 106 Abs. 2 BGG nicht genügen, ist darauf nicht einzutreten (vgl. E. 2.3 hiervor). Im Übrigen kommt der allgemeinen Glaubwürdigkeit einer Zeugin oder eines Zeugen im Sinne einer dauerhaften personalen Eigenschaft kaum mehr relevante Bedeutung zu. Weitaus bedeutender für die Wahrheitsfindung als die allgemeine Glaubwürdigkeit ist die Glaubhaftigkeit der konkreten Aussage (BGE 133 I 33 E. 4.3 S. 45 mit Hinweis).
2.5 Die Glaubhaftigkeit der konkreten Aussage wird durch methodische Analyse ihres Inhalts darauf überprüft, ob die auf ein bestimmtes Geschehen bezogenen Angaben einem tatsächlichen Erleben des Zeugen entspringen. Damit eine Aussage als zuverlässig gewürdigt werden kann, ist sie insbesondere auf das Vorhandensein von Realitätskriterien und umgekehrt auf das Fehlen von Phantasiesignalen zu überprüfen. Dabei wird zunächst davon ausgegangen, dass die Aussage gerade nicht realitätsbegründet ist, und erst wenn sich diese Annahme (Nullhypothese) aufgrund der festgestellten Realitätskriterien nicht mehr halten lässt, wird geschlossen, dass die Aussage einem wirklichen Erleben entspricht und wahr ist (BGE 133 I 33 a.a.O. mit Hinweisen).
Die Prüfung der Glaubhaftigkeit von Aussagen ist primär Sache der Gerichte. Auf Begutachtungen ist nur bei besonderen Umständen zurückzugreifen (BGE 128 I 81 E. 2 S. 86 mit Hinweis). Die Vorinstanz hat im Sinne der Rechtsprechung eine umfassende Aussageanalyse vorgenommen. Dem Beschwerdeführer ist zwar beizustimmen, dass sich das stockende Aussageverhalten nicht damit erklären lässt, dass "die im Gastgewerbe tätige Geschädigte nicht gewohnt bzw. fähig ist, sich sprachlich auszudrücken" (vgl. angefochtenes Urteil E. 2b/ii S. 18 f.). Die Überlegungspausen beziehen sich jedoch grösstenteils auf den Streit vom 22. November 2005 sowie auf frühere gewalttätige Übergriffe. Demgegenüber hat die Geschädigte den vorliegend zu beurteilenden Vorfall im Badezimmer ohne grössere Unterbrüche wiedergegeben. Im Übrigen legt der Beschwerdeführer nicht substantiiert dar, inwiefern der angefochtene Entscheid auch im Ergebnis unhaltbar ist (vgl. E. 2.3 hiervor). Seine Vorbringen sind nicht geeignet, Willkür respektive eine Verletzung des Grundsatzes "in dubio pro reo" darzutun. Die Rügen erweisen sich als unbegründet, soweit darauf überhaupt einzutreten ist.
2.6 Schliesslich wendet sich der Beschwerdeführer gegen die Abweisung seiner Beweisanträge.
2.6.1 Gemäss bundesgerichtlicher Rechtsprechung gilt das Unmittelbarkeitsprinzip im Beweisverfahren nicht uneingeschränkt, weshalb kein Anspruch auf Einvernahme von Zeugen vor dem Richter in der Hauptverhandlung besteht (vgl. BGE 125 I 127 E. 6c aa S. 134 mit Hinweisen). Die Vorinstanz hat auf eine gerichtliche Einvernahme der Geschädigten verzichtet, weil sie ihre Überzeugung aufgrund bereits abgenommener Beweise gebildet hat. Sie konnte ohne Willkür annehmen, ihre Überzeugung werde durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert. Diese vorweggenommene Beweiswürdigung stellt keine Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör dar (vgl. BGE 134 I 140 5.3 S. 148 mit Hinweisen).
2.6.2 Gleiches gilt für den Antrag auf Befragung eines Gerichtsmediziners zum analen Geschlechtsverkehr. Die Geschädigte hat sich aus Angst vor Schlägen nicht gewehrt und wegen den Kindern nicht laut geschrien. Zudem ist den Aussagen zu entnehmen, dass der Beschwerdeführer eine Creme verwendete. Vor diesem Hintergrund erscheint es entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers nicht als unmöglich, dass die anale Vergewaltigung gemäss Schilderung der Geschädigten erfolgte und nicht zu schweren Verletzungen führte. Die vorweggenommene Beweiswürdigung der Vorinstanz erweist sich demnach nicht als willkürlich.
3. Somit ist die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang wird der Beschwerdeführer grundsätzlich kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Er beantragt indes unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. Seine Begehren waren nicht aussichtslos, und seine Bedürftigkeit ist ausgewiesen (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG), weshalb dem Antrag stattzugeben ist. Der Rechtsvertreter ist aus der Bundesgerichtskasse zu entschädigen (Art. 64 Abs. 2 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird gutgeheissen. Für das bundesgerichtliche Verfahren wird dem Beschwerdeführer Rechtsanwalt Bruno Steiner als unentgeltlicher Anwalt beigegeben.
3. Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
4. Dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers wird Fr. 3'000.-- als Entschädigung aus der Bundesgerichtskasse ausgerichtet.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. Juli 2009
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Binz