Sachverhalt:
A. Die Vorinstanz wirft X._ vor, in der Zeit vom 1. Oktober 2008 bis Ende Februar/Anfang März 2009 (ohne den Zeitraum vom 26. Dezember bis 27. Januar 2009) in Zürich dem Drogenkonsumenten A._ insgesamt 480 g Kokain zu einem Preis von Fr. 100.--/g, ferner am 22. Oktober 2009 15 g Kokain für Fr. 1'200.-- und am 6. November 2009 22 g Kokain für Fr. 2'000.-- verkauft zu haben. Die massgebende Nettomenge reinen Kokains legt sie bei 262,5 g fest.
B. Das Bezirksgericht Zürich verurteilte X._ am 7. Juni 2010 wegen Verstosses gegen aArt. 19 Ziff. 1 Abs. 4 BetmG in Verbindung mit aArt. 19 Ziff. 2 lit. a BetmG zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren. Im Umfang von 18 Monaten schob es den Vollzug der Strafe bei einer Probezeit von vier Jahren auf. Die übrigen 18 Monate erklärte es abzüglich 174 Tagen erstandener Untersuchungshaft als vollziehbar. Von der Abschöpfung einer Ersatzforderung sah das Gericht ab und zog die bei ihr sichergestellte Barschaft von Fr. 2'350.-- zur Kostendeckung ein.
X._ erhob gegen das Urteil des Bezirksgerichts Zürich Berufung und die Staatsanwaltschaft Zürich-Sihl Anschlussberufung. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 25. Mai 2011 wegen Verstosses gegen aArt. 19 Ziff. 1 Abs. 4 BetmG in Verbindung mit aArt. 19 Ziff. 2 lit. a BetmG zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren, unter Anrechnung von 174 Tagen erstandener Untersuchungshaft. Von einem Aufschub des Strafvollzugs und der Abschöpfung einer Ersatzforderung sah es ab.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen beim Bundesgericht. Sie beantragt in der Hauptsache, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich vom 25. Mai 2011 sei aufzuheben, und sie sei vom Vorwurf der mehrfachen Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz freizusprechen. Zudem sei ihr der sichergestellte Betrag von Fr. 2'350.-- herauszugeben. Im Übrigen verlangt sie zusammengefasst eine andere Kosten- und Entschädigungsverteilung.
Eventualiter sei ihr der teilbedingte Strafvollzug im Sinne der erstinstanzlichen Strafausfällung zu gewähren.
X._ stellt das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. 1.1 Die Beschwerdeführerin rügt in weitschweifigen Ausführungen (Beschwerde, S. 4-14), die Vorinstanz habe die Beweise willkürlich gewürdigt und den Grundsatz "in dubio pro reo" (Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 2 EMRK) verletzt. Der von der Vorinstanz zugrundegelegte Sachverhalt beruhe einzig auf den Aussagen von A._. Dieser leide als Drogenkonsument an einer paranoiden Schizophrenie und Polytoxikomanie. Die Vorinstanz verfalle in Willkür, wenn sie ihn als glaubwürdig betrachte sowie die Glaubhaftigkeit seiner Aussagen bejahe und darauf abstelle. Das Gutachten von PD Dr. med. B._ besage lediglich, es gebe keine Anhaltspunkte dafür, dass Schizophrenie und Polytoxikomanie im Einvernahmezeitpunkt zu einer falschen Beschuldigung geführt haben könnten. Er habe sich jedoch nicht dazu geäussert, ob andere Gründe für eine Falschbeschuldigung vorliegen könnten (Beschwerde, S. 9 ff.).
A._ habe zwar tatsächlich in erheblichem Masse Kokain konsumiert, es bestünden jedoch erhebliche Zweifel, ob er dieses tatsächlich bei ihr beschafft habe, zumal er über einen langen Zeitraum massiv konsumiert und sich bei verschiedenen Drogenverkäufern eingedeckt habe (Beschwerde, S. 10 ff.).
Die Vorinstanz habe weiter die Widersprüche der Aussagen von A._ im Verfahren gegen ihn selber ohne triftigen Grund unberücksichtigt gelassen (Beschwerde, S. 6 ff.).
Die Beschwerdeführerin versucht in der Folge, mit zahlreichen Beispielen die allgemeine Glaubwürdigkeit von A._ und die Glaubhaftigkeit seiner Aussagen in Zweifel zu ziehen. Sie erwähnt etwa eine von ihm zunächst bestrittene Fahrzeugentwendung sowie den Umstand, dass das Verhältnis zwischen ihr und A._ entgegen der vorinstanzlichen Annahme von Streit und Drohungen geprägt gewesen sei. Massive Drohungen stellten eine plausible Begründung für falsche Anschuldigungen dar (Beschwerde, S. 7 ff.).
Gestützt auf ihre Stellung als Angeschuldigte sowie ihre einschlägigen Vorstrafe dürfe die Vorinstanz ihre Glaubwürdigkeit nicht als "eher zweifelhaft" qualifizieren. Darin sei eine Verletzung der Unschuldsvermutung (Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 2 EMRK) zu erblicken (Beschwerde, S. 9).
1.2 Dem Sachgericht steht im Bereich der Beweiswürdigung ein erheblicher Ermessensspielraum zu (BGE 129 IV 6 E. 6.1 mit Hinweisen; 120 Ia 31 E. 4b). Das Bundesgericht greift auf Beschwerde hin nur ein, wenn das Sachgericht diesen missbraucht, insbesondere offensichtlich unhaltbare Schlüsse zieht, erhebliche Beweise übersieht oder solche willkürlich ausser Acht lässt (BGE 132 III 209 E. 2.1; zum Begriff der Willkür BGE 136 III 552 E. 4.2 mit Hinweisen). Inwiefern das kantonale Gericht sein Ermessen im dargelegten Sinn missbraucht haben soll, ist in der Beschwerde klar und detailliert aufzuzeigen (BGE 130 I 258 E. 1.3). Auf ungenügend begründete Rügen und bloss allgemein gehaltene, appellatorische Kritik am angefochtenen Entscheid tritt es nicht ein (BGE 134 II 244 E. 2.2 mit Hinweis).
1.3 In Anwendung von Art. 109 Abs. 3 BGG kann auf die Ausführungen der Vorinstanz verwiesen werden (angefochtener Entscheid, S. 7-13 Ziff. III). Die Vorinstanz legt ausführlich dar, weshalb keine Zweifel an der Glaubwürdigkeit von A._ und an der Glaubhaftigkeit seiner Aussagen bestehen und deshalb auf diese abzustellen ist.
1.4 Die Beschwerdeführerin zeigt nicht auf, und es ist auch nicht ersichtlich, inwiefern die Vorinstanz ihr Ermessen bei der Sachverhaltsfeststellung missbraucht hätte. Was sie gegen die tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz einwendet, erschöpft sich vielmehr in einer appellatorischen Kritik am angefochtenen Entscheid, die für die Begründung einer willkürlichen Feststellung des Sachverhalts nicht genügt. Inwiefern das Verhältnis zwischen ihr und A._ von Streit und Drohungen geprägt gewesen sein soll, wie sie vorbringt, begründet sie nicht näher. Die Vorinstanz weist demgegenüber auf die freundschaftliche Beziehung der beiden hin. Die Beschwerdeführerin äussert sich im Rahmen der Konfrontationseinvernahme vom 2. Februar 2010 selber denn auch dahingehend, dass er "ein Freund" von ihr gewesen sei (act. 8, S. 6 der Vorakten). Auf das Vorbringen der Beschwerdeführerin ist nicht einzutreten.
1.5 Die Vorinstanz erwägt weiter, dass aus dem beigezogenen psychiatrischen Gutachten vom 9. April 2010 weder Zweifel an der Glaubwürdigkeit von A._ noch an der Glaubhaftigkeit seiner Aussagen abgeleitet werden könnten (angefochtenes Urteil, S. 8 ff.). Gemäss Vorinstanz stuft das Ergänzungsgutachten vom 15. April 2011 (act. 95 der Vorakten) seine Glaubwürdigkeit zwar allgemein als reduziert ein, im Zeitpunkt der einschlägigen Befragungen sei seine Psychose durch die neuroleptische Behandlung jedoch zurückgedämmt gewesen. Auch ergäben sich keine Hinweise auf eine beeinträchtigte Glaubhaftigkeit der protokollierten Aussagen (angefochtenes Urteil, S. 9 ff.; act. 95, S. 10 ff. der Vorakten). Was die Beschwerdeführerin gegen die tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz in diesem Zusammenhang einwendet, beruht wiederum auf einer appellatorischen Kritik am angefochtenen Entscheid. Dies betrifft auch ihre Ausführungen zu ihrer eigenen Glaubwürdigkeit (Beschwerde, S. 9), dem Ort, an dem A._ das Kokain von ihr bezogen haben will sowie dem behaupteten Umstand, dass er sich bei verschiedenen Drogenverkäufern (und nicht nur bei ihr) mit Kokain eingedeckt haben soll (Beschwerde, S. 11 ff.). Hierauf ist ebenfalls nicht einzutreten.
2. 2.1 Die Beschwerdeführerin wendet sich gegen die Strafzumessung der Vorinstanz. Diese lasse ausser Acht, dass sie in der Vergangenheit lediglich wegen kleinerer Vergehen verurteilt worden sei und alle Vorstrafen durch gemeinnützige Arbeit hätten abgegolten werden können. Die Vorinstanz ziehe auch nicht in Betracht, dass das vorliegende Verfahren sowie die erlittene Untersuchungshaft auf sie (die Beschwerdeführerin) einen tiefen und nachhaltigen Eindruck hinterlassen hätten. Die Vorinstanz hätte wie die erste Instanz davon ausgehen müssen, dass sich das erstmalige Gerichtsverfahren sowie die lange Untersuchungshaft positiv auf die günstige Prognose auswirkten. Ihr sei daher der teilbedingte Vollzug der ausgefällten Strafe zu gewähren (Beschwerde, S. 15).
2.2 Die Vorinstanz erwägt, die Beschwerdeführerin sei bereits viermal zu Freiheitsstrafen verurteilt worden, die sie durch gemeinnützige Arbeit verbüsst habe. Davon sei eine Vorstrafe einschlägig. Offensichtlich habe dies auf sie keine nachhaltige Wirkung ausgeübt. Der Beschwerdeführerin könne auch unter Berücksichtigung der rund sechs Monate dauernden Untersuchungshaft keine günstige Prognose gestellt werden, weshalb die Strafe zu vollziehen sei (angefochtenes Urteil, S. 18).
2.3 Das Gericht kann den Vollzug einer Geldstrafe, von gemeinnütziger Arbeit oder einer Freiheitsstrafe von mindestens einem Jahr und höchstens drei Jahren nur teilweise aufschieben, wenn dies notwendig ist, um dem Verschulden des Täters genügend Rechnung zu tragen (Art. 43 Abs. 1 StGB). Auch die bloss teilbedingte Strafe setzt das Fehlen einer ungünstigen Prognose voraus. Dies ergibt sich zwar nicht aus dem Wortlaut, aber aus Sinn und Zweck der Bestimmung. Wenn und soweit die Legalprognose nicht schlecht ausfällt, muss der Vollzug zumindest eines Teils der Strafe bedingt aufgeschoben werden. Andererseits ist bei einer schlechten Prognose auch ein bloss teilweiser Aufschub der Strafe ausgeschlossen (BGE 134 IV 1 E. 5.3.1 mit Hinweisen).
2.4 Die Beurteilung der Gewährung des bedingten Strafvollzugs bildet Teil der Strafzumessung, bei welcher dem Sachrichter nach konstanter bundesgerichtlicher Rechtsprechung (BGE 129 IV 6 E 6.1; 120 Ia 31 E. 4b; je mit Hinweisen) ein erheblicher Spielraum des Ermessens zusteht. Für die Anwendung von Art. 43 StGB gelten diesbezüglich die gleichen Massstäbe. Das Bundesgericht greift in diesen Ermessensspielraum nur ein, wenn der Sachrichter von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist oder wenn er wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen bzw. in Überschreitung oder Missbrauch seines Ermessens falsch gewichtet hat (BGE 129 IV 6 E. 6.1). Inwiefern dies vorliegend der Fall sein sollte, ist nicht ersichtlich und zeigt die Beschwerdeführerin auch nicht auf. Dass das Gerichtsverfahren sowie die lange Untersuchungshaft allenfalls positiv auf die Prognosebildung einwirken, mag zutreffen. Dies kann jedoch nichts daran ändern, dass die Vorinstanz angesichts der neuerlichen einschlägigen und bedeutend schwerwiegenderen Delinquenz als bis anhin für die künftige Legalbewährung grosse Zweifel anbringt, die eine insgesamt ungünstige Prognose nach sich zieht. Die vorinstanzlichen Ausführungen zur Strafzumessung sind nicht zu beanstanden.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Verfahrensausgang sind die bundesgerichtlichen Kosten der Beschwerdeführerin aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Ihr Gesuch um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege und Verbeiständung ist abzuweisen, da die Beschwerde von vornherein aussichtslos war. Ihrer finanziellen Lage ist mit herabgesetzten Gerichtskosten 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 der Beschwerdeführerin auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 24. Oktober 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Keller