Sachverhalt:
A. X._ wurde am 18. Juni 2008 erstinstanzlich der einfachen Körperverletzung sowie der Sachbeschädigung schuldig gesprochen. Unter Widerruf einer früheren bedingten Freiheitsstrafe wurde er zu einer bedingten Geldstrafe von 60 Tagessätzen zu Fr. 10.-- als Gesamtstrafe verurteilt. Dagegen erhob X._ Berufung. Das Obergericht des Kantons Zürich bestätigte mit Urteil vom 15. Juni 2009 den Schuld- und Strafpunkt.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben, und die Sache sei zur erneuten Beurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Zudem ersucht er um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
Erwägungen:
1. Die Vorinstanz hält folgenden Sachverhalt als erstellt:
Der Beschwerdeführer suchte am 15. August 2006 zusammen mit seinem Bruder A._ gegen 05.45 Uhr den Wohnort des Geschädigten B._ auf. Sie beschädigten dessen Auto durch Aufstechen der Pneus. Als der Geschädigte gegen 06.00 Uhr das Haus verliess, wurde er von einem der Brüder von hinten gepackt und auf Höhe der Oberarme umfasst, worauf der andere Bruder dem Geschädigten eine Flüssigkeit ins Gesicht sprühte, so dass dieser zunächst nichts mehr sehen konnte. Sie schlugen mehrmals von hinten auf den Hinterkopf des Geschädigten ein und stiessen ihn zu Boden. Danach flüchteten sie. Der Geschädigte erlitt Verletzungen, aufgrund welcher er zwei Tage arbeitsunfähig war.
2. Die Beschwerde richtet sich gegen die Abweisung von Beweisanträgen. Der Beschwerdeführer rügt zunächst die Verletzung von Art. 9 sowie Art. 29 Abs. 1 und 2 BV durch Verzicht auf Einvernahme weiterer Zeugen infolge antizipierter Beweiswürdigung.
2.1 Die Vorinstanz führt aus, die Einvernahme der zwei ehemaligen Mitbewohner des Beschwerdeführers im Durchgangszentrums Foral in Chur sei nicht entscheidungserheblich. Die vom Beschwerdeführer beantragte Frage, ob er gelegentlich am frühen Morgen vor den eigentlichen Öffnungszeiten im Postbüro vorgesprochen habe, sei nicht von Relevanz. Entscheidend sei, ob der Beschwerdeführer am 15. August 2006 im Postbüro gewesen sei. Die damalige Chefin im Büro - C._ - habe dies als Zeugin nicht bestätigen können. Weiter sei praktisch auszuschliessen, dass sich die angerufenen Zeugen an die allfällige Anwesenheit des Beschwerdeführers am Morgen des 15. August 2006 erinnern könnten. Es handle sich um einen unspektakulären Sachverhalt. Schliesslich sei der Mitbeschuldigte A._ vom Geschädigten kurz nach dem Vorfall telefonisch über die beabsichtigte Anzeige bei der Polizei informiert worden. Aufgrund dieser Vorwarnung wäre dem Beschwerdeführer eine Rückkehr nach Chur innerhalb von weniger als zwei Stunden möglich gewesen. Insgesamt wären die Zeugeneinvernahmen weder geeignet, eine deutliche Klärung des Sachverhalts herbeizuführen, noch am erstellten Beweisergebnis etwas zu ändern. Zum Antrag auf Einvernahme von A._ hält die Vorinstanz fest, dieser habe die Tatvorwürfe stets bestritten, weshalb sein Standpunkt zur Sache bereits bekannt sei. Von einer Befragung in anderer prozessualen Stellung sei daher abzusehen (angefochtenes Urteil E. V 3 S. 30 ff.).
2.2 Der Beschwerdeführer bringt vor, die beantragten Einvernahmen seien tauglich zur Beweisführung. Würden seine ehemaligen Zimmerkollegen bestätigen, dass er gelegentlich gegen 07.30 Uhr im Postbüro vorgesprochen habe, käme seiner Aussage, wonach er dies am 15. August 2006 getan habe, erhöhte Beweiskraft zu. Er sei am nächsten Morgen in Anwesenheit seiner Zimmerkollegen verhaftet worden und nach ca. einer Woche Haft ins gleiche Zimmer zurückgekehrt. Ausgehend von diesem spektakulären Vorfall würden sich die Kollegen mutmasslich daran erinnern, ob er einen Tag vor der Verhaftung die frühen Morgenstunden mit ihnen verbracht habe. Zudem seien die Aussagen geeignet, das bisherige Beweisergebnis zu verändern. Die vorinstanzliche Beweisführung stütze sich einzig auf die Aussagen der Ehefrau des Geschädigten, welche ihn auch unwissentlich fälschlicherweise belastet haben könnte. Betreffend A._ bringt der Beschwerdeführer vor, der Beweiswert einer Zeugenaussage könne nicht demjenigen einer Auskunftsperson oder eines Angeschuldigten gleichgesetzt werden. Zudem gehe es vorliegend um seine Tatbeteiligung, zu welcher A._ gar nie befragt worden sei. Dessen Einvernahme sei zur Ermittlung des wirklichen Mittäters geeignet.
2.3 Der Anspruch auf Befragung von Zeugen ist Teil des rechtlichen Gehörs, welches seine Grundlage im Anspruch auf ein faires Verfahren nach Art. 6 Ziff. 1 EMRK und Art. 29 Abs. 1 und 2 BV findet (BGE 134 I 140 E. 5.2 S. 147). Das Recht auf die Ladung und Befragung von Entlastungszeugen ist relativer Natur. Der Anspruch auf rechtliches Gehör ist nicht verletzt, wenn der Richter nur jene Beweisbegehren berücksichtigt, die nach seiner Würdigung entscheiderheblich sind (BGE 129 I 151 E. 3.1 S. 154 mit Hinweis). Ein Verzicht auf die Abnahme von weiteren Beweisen ist zulässig, wenn sich das Gericht auf Grund der bereits erhobenen Beweise seine Überzeugung gebildet hat und ohne Willkür (Art. 9 BV) in vorweggenommener Beweiswürdigung annehmen kann, dass die abgelehnten Beweisanträge nichts an seiner Überzeugung zu ändern vermögen. Die Verfassungsgarantie steht einer antizipierten Beweiswürdigung nicht entgegen (BGE 134 I 140 E. 5.3 S. 148 mit Hinweisen).
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 Die Vorinstanz hält im Rahmen der Beweiswürdigung im Wesentlichen fest, der Geschädigte habe über die Täterschaft keine Angaben machen können. Dessen Ehefrau habe konstant ausgesagt, sie habe den Beschwerdeführer zusammen mit seinem Bruder zur Tatzeit an ihrem Haus vorbeirennen sehen. Die Zeugin habe beide gut gekannt und ihre Aussagen seien glaubhaft. Ein Irrtum oder eine Personenverwechslung seien auszuschliessen. Der Beschwerdeführer habe zum Ablauf des Abends vom 14. August 2006 sowie des Morgens vom 15. August 2006 nur relativ spärlich Auskunft gegeben. Seine Aussagen erschienen als wenig glaubhaft. Sein Alibi, am Tattag in Chur gewesen zu sein, finde keine Bestätigung. Insgesamt sei der Sachverhalt als erstellt zu betrachten (angefochtenes Urteil E. IV 3. S. 20 ff.).
Die Vorinstanz hat gestützt auf ihre Feststellung, dass die Ehefrau des Geschädigten den Beschwerdeführer zur Tatzeit erkannt hat, auf eine gerichtliche Einvernahme der vom Beschwerdeführer genannten Personen verzichtet, weil sie ihre Überzeugung aufgrund bereits abgenommener Beweise gebildet hat. Was der Beschwerdeführer gegen diese vorweggenommene Beweiswürdigung vorbringt, ist nicht geeignet, die Verletzung von verfassungsmässigen Rechten zu begründen. Er gibt mit seinen Ausführungen in weiten Teilen seine eigene Sicht der Dinge wieder bzw. legt dar, wie die vorhandenen Beweise seiner Auffassung nach richtigerweise zu würdigen gewesen wären. Aus dieser rein appellatorischen Kritik ergibt sich nicht, dass und inwiefern die Vorinstanz den Sachverhalt willkürlich im Sinne von Art. 9 BV festgestellt haben könnte. Soweit seine Rügen deshalb den Begründungsanforderungen nicht genügen, ist darauf nicht einzutreten (Art. 106 Abs. 2 BGG). Gestützt auf die bereits erhobenen Beweise konnte die Vorinstanz ohne Willkür annehmen, ihre Überzeugung werde durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert. Diese vorweggenommene Beweiswürdigung stellt keine Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör dar.
Im Übrigen liegt auch keine Verletzung des Anspruchs auf faires Verfahren vor. Der Beschwerdeführer begründet die Verletzung mit dem vorinstanzlichen Vorwurf, er habe die beiden Zimmerkollegen zu spät als Entlastungszeugen genannt. Das Recht auf Befragung von Entlastungszeugen ist relativer Natur (s. E. 2.3 hiervor), welches rechtzeitig vorgebracht werden muss (BGE 131 I 476 E. 2.1 S. 477). Die Vorinstanz führt in diesem Sinn zutreffend aus, der Beschwerdeführer habe zunächst neben C._ keine weiteren konkreten Personen genannt, die seine Anwesenheit im Asylheim hätten bestätigen können. In der zweiten Einvernahme habe er sich auf einen Zimmerkollegen berufen. Erst in seiner Eingabe vom 14. Januar 2007 habe er die Einvernahme der beiden Zimmerkollegen beantragt und deren Namen genannt. Schon allein aufgrund des Zeitablaufs sei anzunehmen, dass sich die angerufenen Zeugen nicht mehr an den frühen Morgen des 15. August 2006 zu erinnern vermöchten (angefochtenes Urteil E. V 3.2. S. 31 f.).
3. Der Beschwerdeführer wendet sich weiter gegen die Abweisung seines Eventualantrags auf Einholung eines psychiatrischen Gutachtens. Indem die Vorinstanz den Zusammenhang der unterstellten Tatbegehung mit den psychischen Gesundheitsstörungen von vornherein ausschliesse, verfalle sie der Willkür und verletze Art. 20 StGB. Die Begründung, dass sich selbst eine Verminderung der Schuldfähigkeit nicht auf die Strafhöhe auswirken würde, stelle eine unzulässige antizipierte Beweiswürdigung dar, weil die Vorinstanz davon ausgehe, dass der Arzt bloss eine "gewisse Verminderung der Schuldfähigkeit" feststellen könnte.
3.1 Besteht ernsthafter Anlass, an der Schuldfähigkeit des Täters zu zweifeln, so ordnet die Untersuchungsbehörde oder das Gericht die sachverständige Begutachtung durch einen Sachverständigen an (Art. 20 StGB). Für die Prüfung der Notwendigkeit einer Begutachtung soll der Richter seine Zweifel an der Schuldfähigkeit nicht selbst beseitigen, etwa indem er psychiatrische Fachliteratur konsultiert. Vielmehr muss er bei Zweifeln einen Sachverständigen beiziehen. Dies gilt nicht nur, wenn der Richter tatsächlich Zweifel an der Schuldfähigkeit hat, sondern auch, wenn er nach den Umständen des Falls ernsthafte Zweifel haben sollte. Bei der Prüfung dieser Zweifel ist zu berücksichtigen, dass nicht jede geringfügige Herabsetzung der Fähigkeit, sich zu beherrschen, genügt, um eine verminderte Schuldfähigkeit anzunehmen. Die Geistesverfassung des Betroffenen muss in hohem Masse in den Bereich des Abnormen fallen und von jener der durchschnittlichen Rechts- und Verbrechensgenossen abweichen. Die Notwendigkeit, eine sachverständige Person zuzuziehen, ist mithin erst gegeben, wenn Anzeichen vorliegen, die geeignet sind, Zweifel hinsichtlich der vollen Schuldfähigkeit zu erwecken, wie etwa ein Widerspruch zwischen Tat und Täterpersönlichkeit oder völlig unübliches Verhalten (BGE 133 IV 145 E. 3.3 S. 147 f. mit Hinweisen).
3.2 Tatfrage ist, in welchem psychischen Zustand sich der Beschwerdeführer zur Tatzeit befand, Rechtsfrage, ob seine Schuldfähigkeit dadurch eingeschränkt war (Urteil 1P.527/2003 vom 10. Dezember 2003 E. 2.1). Sofern der Beschwerdeführer die Verletzung von verfassungsmässigen Rechten rügt, ist darauf mangels rechtsgenügender Begründung von vornherein nicht einzutreten (Art. 106 Abs. 2 BGG). Aufgrund des festgestellten Sachverhalts besteht nach den zutreffenden Ausführungen der Vorinstanz kein ernsthafter Anlass, an der vollen Schuldfähigkeit des Beschwerdeführers zu zweifeln. Demnach durfte die Vorinstanz auf die Einholung eines psychiatrischen Gutachtens zur Frage der Schuldfähigkeit verzichten. Der Beschwerdeführer wendet sich im Übrigen gegen die vorinstanzliche Begründung, selbst eine gewisse Verminderung der Schuldfähigkeit würde sich nicht auf die Strafhöhe auswirken, da die erstinstanzliche Strafe bereits äusserst mild ausgefallen sei (s. angefochtenes Urteil E. VIII 4.1 S. 40). Es kann offen bleiben, ob die Vorinstanz damit die Diskrepanz zwischen dem erst- und zweitinstanzlichen Urteil ausreichend begründet (Urteil 6B_858/2008 vom 20. Mai 2009 E. 4.2). Da die Abweisung des Beweisantrages auf Erstellung eines psychiatrischen Gutachtens bundesrechtlich nicht zu beanstanden ist, verletzt ihre Strafzumessung im Ergebnis sowieso kein Bundesrecht (vgl. BGE 127 IV 101 E. 2c S. 104 f. mit Hinweisen). Die Rügen des Beschwerdeführers erweisen sich als unbegründet.
4. Somit ist die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens sind die Gerichtskosten dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Die Rechtsbegehren des Beschwerdeführers erschienen von vornherein aussichtslos, weshalb sein Ersuchen um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung abzuweisen ist. Seiner 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 und Verbeiständung wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 1. Dezember 2009
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Binz