Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 18. September 2008 in Bestätigung des Urteils des Bezirksgerichts Zürich vom 29. November 2007 der sexuellen Nötigung im Sinne von Art. 189 Abs. 1 StGB zum Nachteil von A._ schuldig. Es verurteilte ihn zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 18 Monaten bei einer Probezeit von zwei Jahren. X._ wurde ausserdem zur Bezahlung von Schadenersatz und einer Genugtuung von Fr. 4'000.-- an das Opfer verpflichtet, wobei die Schadenersatzansprüche zur genauen Feststellung ihres Umfangs an den Zivilrichter verwiesen wurden.
B. X._ gelangt mit Beschwerde an das Bundesgericht. Er verlangt im Wesentlichen die Aufhebung des angefochtenen Urteils, eventualiter dessen Rückweisung an die Vorinstanz zur neuen Entscheidung, einen Freispruch unter entsprechenden Kostenfolgen, die Abweisung der Zivilansprüche und die Ausrichtung einer Genugtuung. Ferner ersucht er um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege und Verbeiständung.
C. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.
Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Sachverhaltsfeststellung und die Beweiswürdigung im angefochtenen Entscheid. Er wirft dem Obergericht Willkür im Sinne von Art. 9 BV vor (Beschwerdeschrift S. 6-21). Zugleich macht er einen Verstoss gegen den Grundsatz "in dubio pro reo" gemäss Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK geltend, weil das Obergericht nicht zu unterdrückende Zweifel an seiner Schuld hätte haben müssen (Beschwerdeschrift S. 22-26).
2. Art. 9 BV gewährleistet den Anspruch darauf, von den staatlichen Organen ohne Willkür behandelt zu werden. Auf dem Gebiet der Beweiswürdigung ist die Kognition des Bundesgerichts auf Willkür beschränkt. Willkür in der Beweiswürdigung liegt vor, wenn die Behörde in ihrem Entscheid von Tatsachen ausgeht, die mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch stehen oder auf einem offenkundigen Fehler beruhen (BGE 134 I 140 E. 5.4). Dass das angefochtene Urteil mit der Darstellung des Beschwerdeführers nicht übereinstimmt oder eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt praxisgemäss für die Begründung von Willkür nicht (BGE 131 IV 100 nicht publ. E. 4.1; 127 I 54 E. 2b).
Gemäss der in Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK verankerten Maxime "in dubio pro reo" ist bis zum gesetzlichen Nachweis der Schuld zu vermuten, dass der wegen einer strafbaren Handlung Angeklagte unschuldig ist (BGE 129 I 49 E. 4; 127 I 38 E. 2 mit Hinweisen). Als Beweiswürdigungsregel besagt die Maxime, dass sich der Strafrichter nicht von der Existenz eines für den Angeklagten ungünstigen Sachverhalts überzeugt erklären darf, wenn bei objektiver Betrachtung erhebliche und nicht zu unterdrückende Zweifel bestehen, dass sich der Sachverhalt so verwirklicht hat. Inwiefern dieser Grundsatz verletzt sein sollte, prüft das Bundesgericht entgegen dem in der Beschwerde vertretenen Standpunkt (Beschwerdeschrift S. 24) nur unter dem Gesichtspunkt der Willkür, das heisst, es greift nur ein, wenn der Sachrichter den Angeklagten verurteilte, obgleich bei objektiver Würdigung des Beweisergebnisses offensichtlich erhebliche bzw. schlechterdings nicht zu unterdrückende Zweifel an dessen Schuld fortbestehen (BGE 127 I 38 E. 2a; 120 Ia 31 E. 2; Urteil des Bundesgerichts 6B_179/2007 vom 27. Oktober 2007 E. 3.2).
Wird eine willkürliche Beweiswürdigung gerügt, reicht es nicht aus, wenn der Beschwerdeführer zum Beweisergebnis frei plädiert und darlegt, wie seiner Auffassung nach die vorhandenen Beweise richtigerweise zu würdigen gewesen wären, wie er dies in einem appellatorischen Verfahren mit freier Rechts- und Tatsachenüberprüfung tun könnte. Er muss gemäss ständiger Rechtsprechung vielmehr aufzeigen, inwiefern die angefochtene Beweiswürdigung die Verfassung dadurch verletzen sollte, dass sie im Ergebnis offensichtlich unhaltbar wäre (vgl. BGE 129 I 49 E. 4; 128 I 81 E. 2; 127 I 38 E. 3c).
3. Im angefochtenen Entscheid werden die Aussagen des Beschwerdeführers und jene der Geschädigten in den verschiedenen Stadien des Verfahrens zunächst ausführlich wiedergegeben. Unter Berücksichtigung ihres Beziehungshintergrunds und des Umstands, dass beide Parteien ein (offensichtliches) Interesse am Ausgang des Verfahrens haben, werden ihre Aussagen sodann eingehend und sorgfältig gewürdigt und auf ihre Glaubhaftigkeit hin überprüft. Das Obergericht gelangt dabei zusammenfassend zum Schluss, dass die Darstellung der Geschehnisse durch den Beschwerdeführer zwar grundsätzlich konstant und anschaulich sei, gewisse Widersprüche jedoch auffallen würden. Insbesondere sei sein Verhalten im Vorfeld der von ihm beschriebenen Auseinandersetzung am 14. Juni 2006, d.h. sein plötzlicher Meinungsumschwung betreffend Abbruch der Beziehung, nicht wirklich nachvollziehbar und plausibel. Die Aussagen der Geschädigten zum Kerngeschehen seien demgegenüber in sich stimmig, konstant und anschaulich. Sie schildere den Ablauf des Abends ausführlich und in beiden Befragungen deckungsgleich. Zwar schienen auch in ihren weiteren Aussagen einige Diskrepanzen auf, die sich indes im Wesentlichen mit von ihr selbst zugegebenen Kommunikationsschwierigkeiten sowie einer ambivalenten Gefühlslage erklären liessen. Dafür, dass sie zu Übertreibungen neige, den Beschwerdeführer übermässig belaste oder ihn aus verletzter Liebe oder Rache falsch anschuldige, gebe es keinerlei Anhaltspunkte. Die Geschädigte lege vielmehr nachvollziehbar und ohne ihr Verhalten zu beschönigen dar, welche Gründe sie dazu bewogen hätten, die Beziehung mit dem Beschwerdeführer auf eine bloss freundschaftliche Basis zurückzubringen. Insgesamt sei deshalb festzuhalten, dass auf die Aussagen der Geschädigten abzustellen und der Sachverhalt gestützt darauf im Sinne der Anklage erstellt sei.
4. Die Einwendungen in der Beschwerde sind über weite Strecken rein appellatorischer Natur (vgl. Beschwerdeschrift S. 8, zur Frage, wie die inhaltlichen Ergänzungen durch den Beschwerdeführer anlässlich der Einvernahme vor der Staatsanwaltschaft zu würdigen sind; Beschwerdeschrift S. 9-10, zur Nachvollziehbarkeit bzw. nicht Nachvollziehbarkeit des plötzlichen Gesinnungswandels des Beschwerdeführers betreffend den Beziehungsabbruch; Beschwerdeschrift S. 12, zur nachträglichen Übernahme der Begründung der Geschädigten durch den Beschwerdeführer betreffend den Abbruch der sexuellen Kontakte; Beschwerdeschrift S. 16, zur Kritik an der Feststellung, die Geschädigte habe den Beschwerdeführer nicht unnötig belastet). Darauf ist nicht einzugehen. Zu prüfen sind mithin nur die ausreichend begründeten Rügen des Beschwerdeführers.
5. 5.1 Nach Auffassung des Obergerichts fällt mit Blick auf die Einvernahme des Beschwerdeführers durch die Staatsanwaltschaft auf, dass er die Gesprächsanteile der Geschädigten zum Teil nur pauschal wiedergibt. Damit blieben im Inhalt der Auseinandersetzung einige Lücken offen (angefochtener Entscheid, S. 19 f.). Entgegen der Meinung des Beschwerdeführers ist in diesen Erwägungen keine Willkür erkennbar. Das Obergericht untermauert seine Beurteilung der zum Teil nur pauschalen Wiedergabe der Gesprächsanteile der Geschädigten mit entsprechenden Protokollauszügen aus der diesbezüglichen Einvernahme, so etwa "sie habe gesprochen und gesprochen" oder "sie habe die ganze Zeit diese Worte gesagt" und zeigt dabei auf, dass der Beschwerdeführer inhaltlich nicht weiter präzisiert, was damit gemeint ist bzw. was die Geschädigte im Einzelnen denn insoweit gesagt haben soll. Vor diesem Hintergrund ist deshalb nicht zu beanstanden, wenn das Obergericht folgert, die Wiedergabe zum Inhalt der Auseinandersetzung bleibe lückenhaft. Dass und inwieweit diese Schlussfolgerung überdies im Widerspruch zu den restlichen Feststellungen des Obergerichts stehen sollte, wonach die Aussagen des Beschwerdeführers durchaus detailreich seien und auch wörtliche Wiedergaben von gemachten Äusserungen enthielten, ist weder gestützt auf die Vorbringen in der Beschwerde noch sonst wie ersichtlich, zumal die vom Obergericht festgestellte Lückenhaftigkeit keine umfassende ist, sondern sich einzig auf die teilweise Wiedergabe der Gesprächsinhalte der Geschädigten bezieht.
5.2 Entgegen der Beschwerde wird der im Verlaufe des Tatabends erfolgte abrupte Meinungsumschwung des Beschwerdeführers zur Weiterführung bzw. zum Abbruch der sexuellen Beziehung in den Einvernahmen vor der Staatsanwaltschaft ausdrücklich thematisiert (vgl. kantonale Akten, act. 4/2 S. 5 i.V.m act. 4/3 S. 2). Davon, dass es sich bei der Annahme des Obergerichts, der Beschwerdeführer sei hierzu befragt worden, um einen "blanken Irrtum" handle, kann deshalb nicht gesprochen werden. Auf seinen plötzlichen Gesinnungswandel direkt angesprochen führte der Beschwerdeführer im Wesentlichen aus, dass es dafür "keinen Grund" gebe. Die Geschädigte sei "einfach" bei ihm gewesen, und er habe "das einfach nicht mehr" gewollt. Er habe aber "nicht geplant", das zu sagen (kantonale Akten, act. 4/3 S. 2). Wenn im angefochtenen Entscheid in diesem Zusammenhang deshalb erwogen wird, der Beschwerdeführer habe auch auf Befragen hin sein unstimmiges Verhalten am Tatabend (Frage an das Opfer, ob es bei ihm bleiben wolle, um dann nach kurzer Zeit die sexuelle Beziehung dennoch abzubrechen) nicht plausibel erklären können (angefochtener Entscheid, S. 21), ist darin keine Willkür ersichtlich.
5.3 Im vorinstanzlichen Verfahren hat der Beschwerdeführer das ihm zur Last gelegte Geschehen bzw. dessen Plausibilität auch unter dem Aspekt seiner friedliebenden Natur in Zweifel gezogen. Diesem Argument hält das Obergericht im Wesentlichen entgegen, dass zumindest eine Auseinandersetzung zwischen dem Beschwerdeführer und der Geschädigten solche Ausmasse angenommen habe, dass sich eine unbeteiligte Drittperson dazu veranlasst gesehen habe, die Polizei zu rufen. Es sei deshalb anzunehmen, dass auch der Beschwerdeführer heftiger Reaktionen durchaus fähig sei (angefochtener Entscheid, S. 25 f). Diese Annahme erachtet der Beschwerdeführer als willkürlich. Zu Unrecht. Aus den einleitenden Erwägungen im erstinstanzlichen Urteil, worauf das Obergericht im angefochtenen Entscheid verweist, geht insoweit hervor, dass es gegen Ende des Sommersemesters 2006 in O._ zu einem aktenkundigen verbalen Streit zwischen dem Beschwerdeführer und der Geschädigten gekommen sei, der in einem Handgemenge geendet und bei dem die Polizei habe aufgeboten werden müssen (vgl. Urteil des Bezirksgerichts Zürich vom 29. November 2007, S. 16 f.). Aus dem Journaleintrag der Stadtpolizei Zürich vom 3. Juli 2006 ergibt sich insoweit, dass sich der Beschwerdeführer und die Geschädigte zufällig an der genannten Örtlichkeit begegneten, wobei sie wiederum in verbalen Streit gerieten (kantonale Akten, act. 13/1). Gestützt darauf hat das Obergericht davon ausgehen dürfen, dass - neben der Geschädigten - offensichtlich auch der Beschwerdeführer fähig ist, heftig zu reagieren. Dass Inhalt und Ablauf des fraglichen Streits - worauf im angefochtenen Entscheid ebenfalls hingewiesen wird - im Einzelnen nicht feststehen, ändert daran nichts, zumal der beanstandeten Schlussfolgerung bei der Würdigung des eingeklagten Sachverhalts ohnehin keine (entscheidrelevante) Bedeutung zukommt. Unter diesen Umständen hat das Obergericht den Vorfall in O._, anders als der Beschwerdeführer meint, auch nicht näher abklären lassen müssen.
5.4 Das Obergericht würdigt die Aussagen der Geschädigten kritisch. Dabei ist ihm nicht entgangen, dass darin ebenfalls einige Diskrepanzen auszumachen sind, so etwa namentlich hinsichtlich der geschilderten Verletzungen, welche die Geschädigte durch die Schläge des Beschwerdeführers im Nachgang an die sexuelle Nötigung erlitten haben soll. Es qualifiziert die diesbezüglich festgestellte Unstimmigkeit im Ergebnis jedoch sinngemäss als unwesentliche Abweichung in einem Nebenpunkt, welche die Glaubhaftigkeit der Aussagen der Geschädigten in Bezug auf das Kerngeschehen nicht zu erschüttern vermöge (angefochtener Entscheid, S. 22 f.). Was an dieser Beurteilung schlechterdings unhaltbar sein sollte, ist weder gestützt auf die Vorbringen in der Beschwerde noch sonst wie ersichtlich. Da die Geschädigte nach der willkürfreien Auffassung des Obergerichts das eigentliche Kerngeschehen der sexuellen Nötigung in allen Befragungen konstant und ohne Widersprüche beschrieben hat, durfte dieses trotz gewisser Ungenauigkeiten in den Aussagen der Geschädigten zu Nebenumständen von deren Glaubhaftigkeit ausgehen. Ebenso wenig kann in diesem Zusammenhang von einer Gehörsverletzung wegen unzureichender Begründung gesprochen werden. Dies belegt gerade die Rechtsschrift des Beschwerdeführers, der sich auch mit der sinngemässen Begründung im angefochtenen Entscheid detailliert auseinandersetzt.
5.5 Das Obergericht weist im Zusammenhang mit der allgemeinen Glaubwürdigkeit der aussagenden Personen darauf hin, dass die Geschädigte als Zeugin unter der strengen Strafdrohung von Art. 307 StGB ausgesagt hat. Zwar erwähnt es dabei nach den insoweit zutreffenden Einwänden des Beschwerdeführers nicht speziell, dass die Geschädigte auch deshalb ein Interesse am Prozessausgang hat, weil sie im Fall von Falschaussagen mit strafrechtlichen Konsequenzen rechnen müsste. Aufgrund des ausdrücklichen Hinweises auf Art. 307 StGB im angefochtenen Entscheid ist indes davon auszugehen, dass das Obergericht diesen Umstand in seine Würdigung betreffend die Glaubwürdigkeit der Geschädigten als Person und die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen zumindest sinngemäss mit einbezogen hat. Von Willkür kann deshalb auch insoweit entgegen der Beschwerde keine Rede sein.
6. Das Obergericht hat die zur Beurteilung des Sachverhalts wesentlichen Umstände willkürfrei gewürdigt, wobei es in umfassender Weise die Aussagen der beiden Beteiligten gegeneinander abgewogen und auf deren Glaubhaftigkeit hin geprüft hat. Allfällige Motive der Geschädigten für eine falsche Anschuldigung hat das Obergericht thematisiert und solche mit einer sachlich vertretbaren Begründung verneint. Was der Beschwerdeführer dagegen vorbringt, vermag nicht aufzuzeigen, inwiefern die obergerichtliche Beurteilung diesbezüglich stossend sein sollte. Seine Kritik erschöpft sich auch in dieser Hinsicht in der Darlegung seiner eigenen - abweichenden - Sichtweise und ist damit rein appellatorischer Natur (Beschwerdeschrift, S 23 f.). Bei objektiver Betrachtung des gesamten willkürfreien Beweisergebnisses ist deshalb nicht zu beanstanden, dass das Obergericht erhebliche Zweifel verneinte und sich von der Schuld des Beschwerdeführers überzeugt zeigte.
7. Die Beschwerde ist damit abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Bei diesem Ausgang wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Er stellt ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung, welchem infolge Aussichtslosigkeit der Begehren nicht stattgegeben werden kann (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG). Seinen finanziellen Verhältnissen 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 und Verbeiständung 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, 2. Februar 2009
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Arquint Hill