Faits:
A. X._, née en 1989 en Roumanie, est de nationalité roumaine. Elle a séjourné à plusieurs reprises en Suisse, dans la région lausannoise, sans disposer des autorisations administratives nécessaires, entre la mi-octobre 2008 et jusqu'au 13 janvier 2009.
Par jugement du 5 août 2009, le Tribunal de police de l'arrondissement de Lausanne a condamné X._ pour violation de l'art. 115 LEtr, à une peine privative de liberté de quinze jours, sous déduction de la détention subie avant jugement, la peine étant partiellement complémentaire à deux condamnations antérieures.
B. Saisie d'un recours en réforme de la condamnée, la Cour de cassation pénale du Tribunal cantonal vaudois a confirmé le jugement du Tribunal de police, dans sa séance du 14 septembre 2009.
C. X._ dépose un recours en matière pénale devant le Tribunal fédéral. Elle conclut à la réforme de l'arrêt du 14 septembre 2009 en vue de son acquittement du chef de séjour illégal en Suisse. Elle requiert, par ailleurs, l'assistance judiciaire.
La Cour de cassation pénale s'est référée aux considérants de son arrêt et le Ministère public a renoncé à formuler des observations.
Considérant en droit:
1. Condamnée pour infraction à l'art. 115 al. 1 let. a et b de la loi fédérale du 16 décembre 2005 sur les étrangers (LEtr, RS 142.20), sanctionnant l'entrée et le séjour illégal en territoire suisse, X._ soutient que cette disposition ne s'applique plus à sa cause dès lors que les ressortissants roumains sont dispensés de visa pour entrer et séjourner sur le territoire suisse depuis le 1er juin 2009. Elle invoque une violation du principe de la lex mitior.
1.1 En vertu de l'art. 2 al. 2 CP, une loi nouvelle s'applique aux faits qui lui sont antérieurs si, d'une part, l'auteur est mis en jugement après son entrée en vigueur et si, d'autre part, elle est plus favorable à l'auteur que l'ancienne (exception de la lex mitior). Ce principe est repris à l'art. 126 al. 4 LEtr.
1.2 Le 1er juin 2009 est entré en vigueur le Protocole (RS 0.142.112.681.1) du 27 mai 2008 relatif à l'extension de l'Accord sur la libre circulation des personnes à la Bulgarie et à la Roumanie (ALCP, RS 0.142.112.681) en vertu duquel les ressortissants des Etats contractants sont dispensés de visa pour entrer et séjourner en Suisse (art. 1 ALCP). Les dispositions de l'ALCP et de son Protocole ont un impact immédiat sur le champ d'application personnel des dispositions pénales de la LEtr (art. 155 ss). Aussi, l'art. 115 LEtr en lien avec l'art. 5 LEtr sanctionnant le séjour illégal en Suisse de personnes ne disposant pas de visa ne trouve plus application à un ressortissant roumain depuis le 1er juin 2009.
2. 2.1 Il convient d'examiner si la modification du champ d'application personnel des dispositions pénales de la LEtr (due à l'entrée en vigueur du Protocole d'extension) peut bénéficier à la recourante en application du principe de la lex mitior.
2.2 La Cour cantonale admet l'application de la lex mitior aux dispositions de la loi pénale, cas échéant celles de la loi pénale administrative. En revanche, en matière administrative, le nouveau droit ne s'applique pas aux faits antérieurs à sa mise en vigueur, sauf base légale expresse (PIERRE Moor, Droit administratif, vol. I, 2e éd. 1994, pp. 170 s. et 179). Au vu de ces principes, en suivant par analogie le raisonnement développé dans l'ATF 123 IV 84 consid. 3b, la Cour cantonale constate que l'art. 115 LEtr n'a pas été modifié et que l'obligation de respecter les dispositions qui déterminent les conditions d'entrée ou de séjour n'ont pas varié. Si ces conditions se modifient, les étrangers doivent adapter leur comportement et si elles s'assouplissent, ils en bénéficient dès leur entrée en vigueur, mais sans effet rétroactif. En conséquence, l'entrée en vigueur du Protocole additionnel à l'ALCP, est sans conséquence sur la punissabilité de la recourante qui a enfreint l'art. 115 LEtr à une époque où la nouvelle réglementation conventionnelle n'était pas en vigueur.
2.3 Dans l'arrêt 123 IV 84 le Tribunal fédéral a refusé l'application de la lex mitior à un automobiliste qui avait été condamné pour dépassement de la vitesse autorisée, alors qu'au moment du jugement, la limitation de vitesse avait été levée ultérieurement par le Conseil fédéral sur le tronçon autoroutier où l'infraction avait été commise. Le TF a exposé que l'idée qui est à la base du principe de la lex mitior est que l'acte apparaît moins répréhensible ou plus répréhensible du tout suite à la modification de conceptions juridiques (ATF 123 IV 84 consid. 3b p. 87, 89 IV 113 consid. 1.1 p. 115). La doctrine s'accorde à dire qu'il y a changement de conception si la modification de la loi est engendrée par la mutation de valeurs éthiques et non par de simples considérations pratiques (Bertschi, Zur Anwendbarkeit der lex mitior bei Verweisung auf das Verwaltungsrecht, in: Strafrecht als Herausforderung, 1999, p. 126; Riedo, Das intertemporale Recht, SZK 2008 1, p. 35). La jurisprudence donne comme exemple la dépénalisation de l'adultère (art. 214 aCP) ou la possibilité de ne punir l'auteur de publications obscènes (art. 204 aCP) que si les actes tombent sous le coup du nouvel art. 197 CP relatif à la pornographie (ATF 123 IV 84 consid. 3a p. 86).
2.4 L'assouplissement des conditions d'entrée et de séjour en Suisse en faveur des ressortissants bulgares et roumains, qui a été acceptée par la population suisse en février 2009, résulte de la volonté d'intégrer des étrangers en leur octroyant un droit d'établissement en Suisse et l'accès à une activité professionnelle à des conditions plus favorables. La décision que prend un État souverain d'abolir ses frontières vis-à-vis de ressortissants d'autres États leur donnant ainsi un droit subjectif à l'exercice d'une activité économique et au séjour ne conduit cependant pas à admettre l'existence d'une modification de la conception juridique de la LEtr, en particulier à son art. 115 qui demeure inchangé. C'est donc sans violation du droit que l'autorité cantonale a confirmé l'infraction à la LEtr commise par la recourante.
3. Le recours est rejeté. Ses conclusions étaient dénuées de chance de succès. La recourante ne peut prétendre à l'assistance judiciaire (art. 64 al. 1 LTF a contrario). Elle supporte les frais de justice (art. 66 al. 1 LTF), qui seront réduits pour tenir compte de sa situation financière.
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. L'assistance judiciaire est refusée.
3. Les frais judiciaires, arrêtés à 800 fr., sont mis à la charge de la recourante.
4. Le présent arrêt est communiqué aux parties et au Tribunal cantonal du canton de Vaud, Cour de cassation pénale.
Lausanne, le 20 avril 2010
Au nom de la Cour de droit pénal
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Le Greffier:
Favre Vallat