Sachverhalt:
A. S._ schlug am 18. November 2008 mit einem hölzernen Baseball-Schläger während Minuten auf seine damalige Wohnpartnerin ein. Ein Schlag auf den Hinterkopf und ein solcher auf die linke Niere hätten zu einer Hirnblutung respektive zu lebensbedrohenden inneren Blutungen führen können. Nebst einer Prellung mit Schwellung am Hinterkopf mit Hirnerschütterung und einer Nierenläsion mit verzögerter Perfusion und Gewebeverletzung erlitt das Opfer zahlreiche Prellungen, Prellmarken, Hämatome und eine Rissquetschwunde auf der Schienbeinkante.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte S._ am 15. Oktober 2009 wegen versuchter schwerer Körperverletzung und qualifizierter einfacher Körperverletzung zu 3 1⁄2 Jahren Freiheitsstrafe.
C. S._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das angefochtene Urteil sei aufzuheben, und er sei mit einer bedingten Freiheitsstrafe von 18 Monaten zu belegen.
Erwägungen:
1. Die Vorinstanz erwägt, der Beschwerdeführer habe dem Opfer mit einem hölzernen Baseball-Schläger heftig auf den Hinterkopf und die linke Nierengegend geschlagen. Nach eigenen Angaben habe er in einem Wutanfall gehandelt. Es habe sich um einen äusserst dynamischen Tathergang gehandelt. Aufgrund des Verletzungsbildes und gemäss den überzeugenden Schilderungen des Opfers habe der Beschwerdeführer blindlings auf sie eingeschlagen und sei somit nicht in der Lage gewesen, die Schlagstärke zu dosieren. Heftige Schläge mit einer Tatwaffe der vorliegenden Art auf den Hinterkopf und die Nierengegend seien geeignet, grössere Gefässverletzungen mit lebensgefährlichen Blutungen im Schädel- sowie Rumpfinnern zu verursachen. Nach Meinung der Ärzte hätte die getroffene Niere so stark geschädigt werden können, dass sie hätte entfernt werden müssen. Dass dies nicht eingetreten sei, sei einzig dem Zufall zu verdanken (angefochtener Entscheid S. 7 f. Ziff. 1.2).
Der Beschwerdeführer rügt die Feststellung, er habe heftig und undosiert auf das Opfer eingeschlagen, als willkürlich. Er habe im Sicherheitsdienst gearbeitet und sei Profisportler gewesen. Bei seiner Schlagkraft würde ein undosierter und heftiger Schlag auf den Hinterkopf einer Frau diesen entweder sofort spalten oder ihr das Genick brechen. Dass dies nicht eingetreten sei, sei nicht dem Zufall zuzuschreiben, sondern der willentlichen Reduktion seiner eigenen Kraft und dem Umstand, dass er das Opfer gar nicht auf den Hinterkopf geschlagen habe, da dieses sich noch bis zum Balkon begeben konnte, was bei einem undosierten Schlag nicht mehr möglich gewesen wäre. Im Mindesten hätte das Opfer Brüche erlitten, wären die Schläge tatsächlich erheblich gewesen (Beschwerdeschrift S. 12 f.).
Mit diesen Ausführungen stellt der Beschwerdeführer dem Sachverhalt, wie ihn die Vorinstanz festgestellt hat, lediglich eine andere, allenfalls auch vorstellbare Variante des Geschehenen gegenüber. Mit der vorinstanzlichen Begründung setzt er sich aber nicht auseinander. Die Vorinstanz zog ihre Schlüsse insbesondere aus den Aussagen des Beschwerdeführers (Wutanfall) und des Opfers (unkontrollierte Schläge) und den ärztlichen Berichten (u.a. Prellung/Schwellung am Hinterkopf mit Hirnerschütterung). Inwiefern diese Anhaltspunkte mit dem Beweisergebnis unvereinbar sein sollten, legt der Beschwerdeführer nicht dar. Auf seine appellatorische Kritik ist somit nicht einzutreten.
2. Der Beschwerdeführer beanstandet die vorinstanzliche Strafzumessung.
2.1 Soweit er dabei dem willkürfrei festgestellten Sachverhalt widerspricht, ist darauf nicht einzutreten. Dies betrifft insbesondere seine Vorbringen, er habe das Opfer weder heftig noch unkontrolliert geschlagen, und es sei nicht bloss dem Zufall zu verdanken, dass es nicht zu einer lebensgefährlichen Schädigung gekommen sei.
2.2 Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz vor, nicht berücksichtigt zu haben, dass er das Opfer nicht lebensbedrohend habe verletzen wollen bzw. nicht gewollt habe, dass eine solche Verletzung hätte resultieren können.
Die Rüge geht an der Sache vorbei. Die Vorinstanz unterstellt dem Beschwerdeführer nämlich keinen direkten Vorsatz. Vielmehr nimmt sie Eventualvorsatz an mit der Formulierung, er habe mit den Baseballschlägen auf den Hinterkopf und in die Nierengegend in Kauf genommen, das Opfer schwer zu verletzen. Inwiefern diese Beurteilung rechtswidrig wäre, ist nicht ersichtlich.
2.3 Der Beschwerdeführer setzte sich nicht ins Ausland ab, sondern stellte sich freiwillig der Polizei, war ab Beginn der Untersuchung grundsätzlich geständig bzw. kooperativ und bekundete glaubhaft Einsicht und Reue (angefochtener Entscheid S. 17 Ziff. 4). Aufgrund dieser strafmindernden Strafzumessungsmerkmale und zweier nicht einschlägiger Vorstrafen, die sich leicht straferhöhend auswirkten, reduzierte die Vorinstanz die Einsatzstrafe von 4 1⁄2 Jahren um ein Jahr. Inwiefern sie dabei ihr Ermessen überschritten haben sollte, legt der Beschwerdeführer nicht dar und ist auch nicht ersichtlich. Dass er isoliert lebt und auch Schulden hat, reicht nicht aus, um bei ihm eine besondere Strafempfindlichkeit anzunehmen.
2.4 Der Beschwerdeführer legt zwei Internet-Auszüge ins Recht (act. 2, Belege 3 und 4). Danach seien in vergleichbaren Fällen deutlich tiefere Strafmasse (2 und 3 Jahre Freiheitsstrafe) ausgesprochen worden. Das vorinstanzliche Strafmass verstosse gegen das Verhältnismässigkeitsgebot.
Der Grundsatz der Individualisierung und das weite Ermessen des Sachrichters bei der Strafzumessung führen notwendigerweise zu einer gewissen Ungleichheit selbst in vermeintlich vergleichbaren Fällen (BGE 135 IV 191 E. 3.1 mit Hinweis). Vorliegend ist jedoch entscheidend, dass dem Bundesgericht die wesentlichen Strafzumessungsmerkmale und ihre Gewichtung in den herangezogenen Fällen nicht bekannt sind. In den Internet-Artikeln sind sie nämlich nur bruchstückhaft angeführt. Deshalb ist eine Prüfung, ob die Vorinstanz diesbezüglich ihr Ermessen überschritten hat, von vornherein unmöglich.
2.5 Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers liegt die 31⁄2-jährige Freiheitsstrafe nicht nur knapp über dem Rahmen einer teilbedingten Strafe. Mithin hat die Vorinstanz eine solche auch nicht ausdrücklich in Erwägung ziehen müssen.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
Der Beschwerdeführer stellt ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege (Beschwerdeschrift S. 5 Ziff. III). Da seine Begehren von vornherein aussichtslos erschienen, ist das Gesuch abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 BGG). Folglich wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Bei der Bemessung der Gerichtsgebühr ist jedoch seinen finanziellen Verhältnissen Rechnung zu tragen.
Mit dem Entscheid in der Sache ist das Gesuch um Haftentlassung gegenstandslos.
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 dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 15. März 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Favre Borner