Das Bundesgericht zieht in Erwägung:
1. Nachdem die eheliche Liegenschaft im Rahmen eines Eheschutzverfahrens am 28. August 2007 superprovisorisch und am 20. Dezember 2007 definitiv der Ehefrau des Beschwerdeführers zur alleinigen Benützung zugewiesen worden war, verschaffte sich dieser während der Hängigkeit des Rekursverfahrens und gegen den ausdrücklich geäusserten Willen der Ehefrau am 7. März 2008 mit Hilfe eines Schlüsselservices Zutritt zur Wohnung.
Das Obergericht des Kantons Zürich bestrafte den Beschwerdeführer mit Urteil vom 4. Oktober 2010 wegen Hausfriedensbruchs mit einer Geldstrafe von 20 Tagessätzen zu je Fr. 40.--, aufgeschoben bei einer Probezeit von zwei Jahren.
Der Beschwerdeführer wendet sich mit Beschwerde in Strafsachen ans Bundesgericht und beantragt, er sei vom Vorwurf des Hausfriedensbruchs freizusprechen.
2. In tatsächlicher und rechtlicher Hinsicht kann in Anwendung von Art. 109 Abs. 3 BGG auf die Ausführungen der Vorinstanz verwiesen werden (vgl. angefochtenen Entscheid S. 6-10).
Soweit sich der Beschwerdeführer mit dem Sachverhalt befasst, vermag er nicht darzutun, dass die Vorinstanz diesen offensichtlich unrichtig im Sinne von Art. 97 Abs. 1 BGG bzw. willkürlich im Sinne von Art. 9 BV festgestellt hätte. Dies gilt zum Beispiel für seine Behauptung, die Ehefrau habe ihm nie ein Hausverbot erteilt (Beschwerde S. 5 Ziff. 3; vgl. dazu angefochtenen Entscheid S. 7 E. 4.3.).
Auch in Bezug auf das kantonale Recht legt der Beschwerdeführer nicht dar, inwieweit die Vorinstanz dieses willkürlich angewendet hätte. So ist er zum Beispiel mit dem Vorbringen, die Verfügung vom 28. August 2007 sei nur bis zum 4. September 2007 gültig gewesen (Beschwerde S. 3 Ziff. 2.1.), nicht zu hören (vgl. dazu angefochtenen Entscheid S. 6/7 E. 4.2. und S. 8 E. 5.2.1.).
Bei dem von der Vorinstanz festgestellten Sachverhalt ist der Schuldspruch wegen Hausfriedensbruchs in rechtlicher Hinsicht nicht zu beanstanden. Insbesondere vermag die Behauptung des Beschwerdeführers, die Verfügung vom 28. August 2007 habe nur auf Lügen seiner Ehefrau beruht (Beschwerde S. 3 Ziff. 2.1.), nichts daran zu ändern, dass es dem Beschwerdeführer am 7. März 2008 untersagt war, die eheliche Liegenschaft zu betreten.
3. Soweit der Beschwerdeführer die zweitinstanzliche Gerichtsgebühr bemängelt (Beschwerde S. 9 Ziff. 7.2.), ist nicht ersichtlich, inwieweit die Vorinstanz diese willkürlich festgesetzt hätte.
4. Die Beschwerde ist im Verfahren nach Art. 109 BGG abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Die Gerichtskosten sind dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist in Anwendung von Art. 64 BGG abzuweisen, weil die Rechtsbegehren aussichtslos erschienen. Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Bemessung der Gerichtsgebühr 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. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 30. November 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Favre C. Monn