Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ mit Urteil vom 7. Juli 2011 zweitinstanzlich der Freiheitsberaubung (Anklage, S. 3 Abs. 3), der mehrfachen einfachen Körperverletzung (Anklage, S. 3 Abs. 1 al. 1 und 3), der mehrfachen Drohung (Anklage, S. 2 Abs. 2 und S. 4 Abs. 2) und der Nötigung (Anklage, S. 3 Abs. 1 al. 2) schuldig. Von den Vorwürfen der Drohung (Anklage, S. 4 Abs. 1) und der mehrfachen, teilweise versuchten Nötigung (Anklage, S. 2 Abs. 2 und S. 3 Abs. 3) sprach es ihn frei. Weiter stellte es die Rechtskraft der Freisprüche betreffend Nötigung (Anklage, S. 3 Abs. 2) und Diebstahl (Anklage, S. 5) fest. Es verurteilte ihn unter Anrechnung von 26 Tagen Untersuchungshaft zu einer bedingt vollziehbaren Geldstrafe von 270 Tagessätzen zu Fr. 30.--. Es verpflichtete X._ zur Bezahlung von Schadenersatz in der Höhe von Fr. 296.85 und einer Genugtuung von Fr. 1'500.-- an A._. Es stellte zudem fest, dass er gegenüber A._ im Zusammenhang mit den Schuldsprüchen grundsätzlich vollumfänglich schadenersatzpflichtig ist. Zur genauen Feststellung des Umfangs des Schadenersatzanspruchs verwies es A._ auf den Weg des Zivilprozesses. Die Schadenersatz- und das Genugtuungsbegehren von X._ wies es ab, soweit es darauf eintrat. Die Kosten der Untersuchung und des erstinstanzlichen Verfahrens sowie der unentgeltlichen Geschädigtenvertretung auferlegte es zu drei Fünfteln X._ und zu zwei Fünfteln dem Staat. Die Kosten des Berufungsverfahrens auferlegte es ihm zu vier Fünfteln und zu einem Fünftel dem Staat.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich sei aufzuheben, und er sei freizusprechen. Eventualiter sei er mit einer Geldstrafe von nicht mehr als 80 Tagessätzen zu Fr. 30.-- zu bestrafen. Für das bundesgerichtliche Verfahren seien keine Kosten zu erheben bzw. seien diese dem Kanton Zürich aufzuerlegen, und es sei ihm eine angemessene Entschädigung zuzusprechen. Für das Berufungsverfahren seien die Kosten dem Kanton Zürich aufzuerlegen, und es sei ihm eine Entschädigung von Fr. 20'988.72 zuzusprechen. Eventualiter sei die Angelegenheit zur Festsetzung der Entschädigung an das Obergericht zurückzuweisen. Bei Abweisung der Beschwerde seien ihm die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren und Rechtsanwalt Daniel Bohren als unentgeltlicher Rechtsvertreter beizuordnen. Für das Berufungsverfahren seien die Kosten neu zu verteilen und zu zwei Fünfteln ihm sowie zu drei Fünfteln dem Kanton Zürich aufzuerlegen, und es sei ihm eine Entschädigung von Fr. 16'842.45 zuzusprechen. Die Zivilforderung von A._ sei abzuweisen, eventualiter auf den Zivilweg zu verweisen.
Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten beantragt X._, es seien ihm eine Entschädigung und eine Genugtuung von insgesamt Fr. 39'779.-- zuzusprechen. Bei Abweisung der Beschwerde seien ihm eine Entschädigung sowie eine Genugtuung von insgesamt Fr. 4'607.-- zuzusprechen.
C. Mit Beschluss vom 17. September 2011 ergänzte die I. Strafkammer des Obergerichts des Kantons Zürich das Dispositiv des Urteils vom 7. Juli 2011 insofern, als es X._ dazu verpflichtete, A._ für das Untersuchungs- und das erstinstanzliche Verfahren eine reduzierte Prozessentschädigung von Fr. 4'079.85 zu bezahlen.
Mit Eingabe vom 18. Oktober 2011 ergänzte X._ seine Beschwerde in Strafsachen um den Antrag, der Beschluss des Obergerichts vom 17. September 2011 sei aufzuheben.
D. Das Obergericht und die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich sowie A._ verzichten auf Vernehmlassungen.
Erwägungen:
1. Soweit der Beschwerdeführer seine Eingabe als Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten bezeichnet (Beschwerde, S. 44), ist sie als Beschwerde in Strafsachen gemäss Art. 78 ff. BGG entgegenzunehmen.
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung des Anklageprinzips. Die Anklagevorwürfe betreffend Drohung (Anklage, S. 2 Abs. 2) und mehrfacher Körperverletzung sowie Nötigung (Anklage, S. 3 Abs. 1) seien in zeitlicher Hinsicht derart unbestimmt, dass ihm eine wirksame Verteidigung verunmöglicht worden sei. Insbesondere habe er sich nicht mittels Angabe eines Alibis (Auslandaufenthalt oder Trennung von der Beschwerdegegnerin 2) verteidigen können (Beschwerde, S. 9 ff.).
2.2 Der Anklagegrundsatz bezweckt den Schutz der Verteidigungsrechte des Angeklagten und dient dem Anspruch auf rechtliches Gehör (Art. 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 2 BV, Art. 6 EMRK; BGE 126 I 19 E. 2a; 120 IV 348 E. 2b). Nach diesem Grundsatz bestimmt die Anklage das Prozessthema. Gegenstand des gerichtlichen Verfahrens können mithin nur Sachverhalte sein, die dem Angeklagten in der Anklageschrift vorgeworfen werden. Diese muss die Person des Angeklagten sowie die ihm zur Last gelegten Delikte in ihrem Sachverhalt so präzise umschreiben, dass die Vorwürfe im objektiven und subjektiven Bereich genügend konkretisiert sind (Umgrenzungsfunktion). An diese Anklage ist das Gericht gebunden. Die Anklage fixiert somit das Verfahrens- und Urteilsthema (Immutabilitätsprinzip). In ihrer Informationsfunktion vermittelt sie dem Angeschuldigten überdies die für die Durchführung des Verfahrens und die Verteidigung notwendigen Informationen (BGE 133 IV 235 E. 6.3; 126 I 19 E. 2a; je mit Hinweisen). Konkretisiert wird der Anklagegrundsatz zur Hauptsache durch die formellen Anforderungen, welche das vorliegend noch anwendbare kantonale Verfahrensrecht an die Anklageschrift stellt. Gemäss § 162 Abs. 1 Ziff. 2 der Strafprozessordnung des Kantons Zürich vom 4. Mai 1919 (LS 321, StPO ZH) bezeichnet die Anklageschrift kurz, aber genau die dem Angeklagten zur Last gelegten Handlungen oder Unterlassungen unter Angabe aller Umstände, welche zum gesetzlichen Tatbestand gehören sowie unter möglichst genauer Angabe von Ort, Zeit und anderen Einzelheiten, so dass der Angeklagte daraus ersehen kann, was Gegenstand der Anklagen bildet.
2.2 Der Anklagegrundsatz bezweckt den Schutz der Verteidigungsrechte des Angeklagten und dient dem Anspruch auf rechtliches Gehör (Art. 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 2 BV, Art. 6 EMRK; BGE 126 I 19 E. 2a; 120 IV 348 E. 2b). Nach diesem Grundsatz bestimmt die Anklage das Prozessthema. Gegenstand des gerichtlichen Verfahrens können mithin nur Sachverhalte sein, die dem Angeklagten in der Anklageschrift vorgeworfen werden. Diese muss die Person des Angeklagten sowie die ihm zur Last gelegten Delikte in ihrem Sachverhalt so präzise umschreiben, dass die Vorwürfe im objektiven und subjektiven Bereich genügend konkretisiert sind (Umgrenzungsfunktion). An diese Anklage ist das Gericht gebunden. Die Anklage fixiert somit das Verfahrens- und Urteilsthema (Immutabilitätsprinzip). In ihrer Informationsfunktion vermittelt sie dem Angeschuldigten überdies die für die Durchführung des Verfahrens und die Verteidigung notwendigen Informationen (BGE 133 IV 235 E. 6.3; 126 I 19 E. 2a; je mit Hinweisen). Konkretisiert wird der Anklagegrundsatz zur Hauptsache durch die formellen Anforderungen, welche das vorliegend noch anwendbare kantonale Verfahrensrecht an die Anklageschrift stellt. Gemäss § 162 Abs. 1 Ziff. 2 der Strafprozessordnung des Kantons Zürich vom 4. Mai 1919 (LS 321, StPO ZH) bezeichnet die Anklageschrift kurz, aber genau die dem Angeklagten zur Last gelegten Handlungen oder Unterlassungen unter Angabe aller Umstände, welche zum gesetzlichen Tatbestand gehören sowie unter möglichst genauer Angabe von Ort, Zeit und anderen Einzelheiten, so dass der Angeklagte daraus ersehen kann, was Gegenstand der Anklagen bildet.
2.3 2.3.1 Die Anklagebehörde legt dem Beschwerdeführer zur Last, der Beschwerdegegnerin 2 gedroht zu haben. Während drei Jahren, als er mit dieser an der B._-strasse in Zürich gelebt habe, sei es alle drei Wochen zu einem Streit gekommen, insbesondere, wenn die Beschwerdegegnerin 2 sich mit Freundinnen habe treffen wollen oder Bekannte angerufen habe. Der Beschwerdeführer habe jeweils eine verbale Auseinandersetzung provoziert, indem er der Beschwerdegegnerin 2 unterstellt habe, sie betrüge ihn. Er habe sie jeweils angeschrien, sie sei eine Schlampe, er werde sie umbringen und ihr Leben kaputt machen, was die Beschwerdegegnerin 2 zutiefst erschreckt und verunsichert habe (Anklage, S. 2 Abs. 2).
2.3.2 Die Vorinstanz stellt unter Hinweis auf das erstinstanzliche Urteil fest, der Beschwerdeführer und die Beschwerdegegnerin 2 hätten lediglich in der Zeit von Ende November 2003 bis Ende Oktober 2004 an der B._-strasse in Zürich zusammengelebt (Urteil, E. 2.6.4 S. 17; kantonale Akten, act. 53 S. 17). Sie reduziert daher den tatrelevanten Zeitraum auf knapp ein Jahr (Urteil, E. 3.2.1 S. 47).
2.3.3 Der Sachverhalt gemäss Anklage betreffend Drohungen ist hinreichend klar umschrieben. Nach konstanter Rechtsprechung des Bundesgerichts führen kleinere Ungenauigkeiten in den Orts- und Zeitangaben nicht zur Unbeachtlichkeit der Anklage. Ob die zeitliche Umschreibung ausreicht, ist nicht abstrakt, sondern zusammen mit dem übrigen Inhalt der Anklage zu beurteilen (Urteil 6B_432/2011 vom 26. Oktober 2011 E. 2.2 mit Hinweisen). Vorliegend ist der Sachverhalt in zeitlicher Hinsicht aufgrund der Verbindung mit der genauen Bezeichnung des Tatortes (B._-strasse in Zürich) ausreichend detailliert umschrieben (vgl. Urteil 6B_830/2008 vom 27. Februar 2009 E. 1 und E. 2.4 mit Hinweisen). Dies ermöglicht eine genügende Individualisierung der zu beurteilenden Taten und lässt die zu lange Zeitangabe von drei Jahren als unerheblich erscheinen. Der Anklagegrundsatz ist diesbezüglich nicht verletzt.
2.3.3 Der Sachverhalt gemäss Anklage betreffend Drohungen ist hinreichend klar umschrieben. Nach konstanter Rechtsprechung des Bundesgerichts führen kleinere Ungenauigkeiten in den Orts- und Zeitangaben nicht zur Unbeachtlichkeit der Anklage. Ob die zeitliche Umschreibung ausreicht, ist nicht abstrakt, sondern zusammen mit dem übrigen Inhalt der Anklage zu beurteilen (Urteil 6B_432/2011 vom 26. Oktober 2011 E. 2.2 mit Hinweisen). Vorliegend ist der Sachverhalt in zeitlicher Hinsicht aufgrund der Verbindung mit der genauen Bezeichnung des Tatortes (B._-strasse in Zürich) ausreichend detailliert umschrieben (vgl. Urteil 6B_830/2008 vom 27. Februar 2009 E. 1 und E. 2.4 mit Hinweisen). Dies ermöglicht eine genügende Individualisierung der zu beurteilenden Taten und lässt die zu lange Zeitangabe von drei Jahren als unerheblich erscheinen. Der Anklagegrundsatz ist diesbezüglich nicht verletzt.
2.4 2.4.1 Gemäss Anklageschrift kam es in der Zeit zwischen Januar 2005 und Januar 2008 im Rahmen von Auseinandersetzungen zu drei weiteren Vorfällen. Der Beschwerdeführer habe die Beschwerdegegnerin 2 in der gemeinsamen Wohnung an der B._-strasse, als diese im Bett bzw. auf einer Matratze gelegen habe, zwei Mal mit den Füssen gegen den linken Oberschenkel getreten, was zu starken Schmerzen und blauen Flecken geführt habe. Weiter habe er der Beschwerdegegnerin 2 ebenfalls an der B._-strasse, als diese aufgrund eines Streits geweint und am offenen Fenster um Hilfe gerufen habe, mit der Hand Mund und Nase zugehalten und sie auf das Sofa gedrückt. Dies habe bei ihr zu Erstickungsängsten geführt und sie daran gehindert, weiter um Hilfe zu rufen. Schliesslich habe er der Beschwerdegegnerin 2 in der gemeinsamen Wohnung an der C._-gasse in Zürich, als diese im Bett gelegen habe, mehrmals mit einer gefüllten 1.5 Liter PET-Flasche auf den rechten Oberschenkel geschlagen, was bei der Geschädigten zu starken Schmerzen geführt habe (Anklage, S. 3 Abs. 1).
2.4.2 Die Vorinstanz erachtet die örtliche und zeitliche Einordnung der drei Tatvorwürfe in der Anklageschrift als völlig ungenügend. Sie verweist diesbezüglich ebenfalls auf die Erwägungen der ersten Instanz (Urteil, E. 2.6.5 S. 18). Diese erwog unter Bezugnahme auf die Akten, die Beschwerdegegnerin 2 und der Beschwerdeführer hätten im Januar 2005 nicht mehr an der B._-strasse gewohnt, womit sich die ersten beiden Vorfälle entweder vor diesem Zeitpunkt oder bereits an der C._-gasse ereignet hätten. Aufgrund der Aussagen der Geschädigten hält sie entgegen der Anklage für erstellt, dass sich der dritte Vorfall - das Schlagen mit der PET-Flasche - im Spätsommer 2004 an der B._-strasse, der erste Vorfall - die Fusstritte - im Spätsommer 2005 an der C._-gasse und der zweite Vorfall - das Zudrücken von Mund und Nase - im Spätsommer 2006 ebenfalls an der C._-gasse ereignet hätten (kantonale Akten, act. 53 S. 17 ff.). Die Vorinstanz ist indes der Ansicht, eine Verletzung des Anklagegrundsatzes liege nicht vor, da der Beschwerdeführer gewusst habe, gegen welche Vorwürfe er sich zu verteidigen gehabt habe (Urteil, E. 2.6.5 S. 19).
2.4.3 Der in der Anklageschrift genannte Zeitraum von Januar 2005 bis Januar 2008 an sich ist schon sehr weit gefasst. Hinzu kommt, dass die Angaben in zeitlicher wie auch in örtlicher Hinsicht nicht bloss ungenau, sondern falsch sind. Die erste Instanz nimmt diesbezüglich eigentliche Korrekturen vor und erstellt den Sachverhalt aufgrund der Akten neu, die bereits der Anklagebehörde vorgelegen hätten. Ein derartiger Rückgriff des Richters auf die Akten zwecks Definierung der angeklagten Tat in Abweichung der Anklageschrift - und nicht bloss zu Beweiszwecken - ist unzulässig und verletzt den Anklagegrundsatz (vgl. Urteil 6B_959/2008 vom 22. Januar 2009 E. 1.4 mit Hinweis auf die Literatur). Die Ansicht der Vorinstanz, wonach keine Verletzung des Grundsatzes vorliege, kann nicht geteilt werden. Diese bezieht sich auf die bundesgerichtliche Rechtsprechung, wonach Ungenauigkeiten in den Zeitangaben insofern nicht von entscheidender Bedeutung sind, als für die beschuldigte Person keine Zweifel darüber bestehen können, welches Verhalten ihr vorgeworfen wird (vgl. Urteil 6B_233/2010 vom 6. Mai 2010 E. 2.3 mit Hinweisen). Indes handelt es sich vorliegend nicht bloss um Ungenauigkeiten, sondern um falsche Angaben. Darüber hinaus ist entgegen der Ansicht der Vorinstanz nicht ersichtlich, inwiefern sich aus den Aussagen des Beschwerdeführers ergeben sollte, dieser habe durchaus gewusst, gegen welche Vorwürfe er sich zu verteidigen habe. Insgesamt genügt die Anklageschrift in diesem Punkt den Anforderungen nicht. Aufgrund der derart weit gefassten Zeitangabe und insbesondere aufgrund der unrichtigen Angaben in zeitlicher und örtlicher Hinsicht wurde dem Beschwerdeführer die Möglichkeit genommen, seine Verteidigungsrechte angemessen auszuüben (vgl. Urteil 6B_1067/2009 vom 31. Mai 2010 E. 2.4.1).
Die vorinstanzliche Verurteilung wegen mehrfacher Körperverletzung und Nötigung ist wegen Missachtung des Anklagegrundsatzes aufzuheben.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer bringt vor, hinsichtlich der Drohungen im Zeitraum von November 2003 bis Oktober 2004 (Anklage, S. 2 Abs. 2) und der Körperverletzungen zwischen den Jahren 2005 und 2008 (Anklage, S. 3 Abs. 1) fehle ein entsprechender Strafantrag und somit eine Strafbarkeitsvoraussetzung. Zu dieser Zeit hätten die Beschwerdegegnerin 2 und er keinen gemeinsamen Haushalt im Sinne von Art. 123 Ziff. 2 Abs. 5 und Art. 180 Abs. 2 lit. b StGB geführt, womit die Delikte nicht von Amtes wegen zu verfolgen seien (Beschwerde, S. 34 ff.).
3.2 Soweit der Beschwerdeführer den fehlenden Strafantrag hinsichtlich der Körperverletzungen (Anklage, S. 3 Abs. 1) geltend macht, ist seine Rüge infolge Gutheissung der Beschwerde (E. 2.4 hievor) hinfällig. Bezüglich der Drohungen an der B._-strasse (Anklage, S. 2 Abs. 2 ) stellt die Vorinstanz die Rechtskraft des erstinstanzlichen Beschlusses fest, wonach auf die Anklage insofern nicht einzutreten sei, als sich der Vorwurf auf die Zeit vor dem 1. April 2004 beziehe (Urteilsdispositiv, S. 81). Unter Hinweis auf die erstinstanzlichen Erwägungen hält sie fest, vorliegend sei nur noch ein Zeitraum von sieben Monaten (April bis Oktober 2004) zu beurteilen (Urteil, E. 4.2 S. 50; kantonale Akten, act. 53 S. 31).
3.3 Der Täter wird wegen Drohung von Amtes wegen verfolgt, wenn er der hetero- oder homosexuelle Lebenspartner des Opfers ist, sofern sie auf unbestimmte Zeit einen gemeinsamen Haushalt führen und die Drohung während dieser Zeit oder bis zu einem Jahr nach der Trennung begangen wurde (Art. 180 Abs. 2 lit. b StGB; in Kraft seit 1. April 2004).
3.4 Die Vorinstanz erwägt, gemäss Aussagen des Beschwerdeführers hätten er und die Geschädigte in den Jahren von 2003/2004 bis 2008 eine Beziehung geführt, auch wenn diese durch einzelne Trennungen unterbrochen worden sei. Die Beziehung sei auf Dauer angelegt und es sei sogar von Heirat und Kindern die Rede gewesen. Zu den einzelnen Abschnitten des Zusammenlebens verweist die Vorinstanz auf die Erwägungen der ersten Instanz (Urteil, E. 2.5.4 S. 12 f.). Diese legte ausführlich und unter Bezugnahme auf die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 und des Beschwerdeführers dar, weshalb sie es für erstellt erachtet, dass jene im massgeblichen Zeitraum an der B._-strasse zusammengelebt hätten. Dies habe erst Ende Oktober 2004 mit der Kündigung der Mietvertrages geendet. Die Behauptungen des Beschwerdeführers, er habe zur massgeblichen Zeit noch bei seiner Ex-Ehefrau gelebt, seien unglaubhaft (kantonale Akten, act. 53 S. 3 f. und S. 16 f.). Was der Beschwerdeführer hiergegen vorbringt, richtet sich gegen die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung. Inwiefern diese offensichtlich unrichtig ist, vermag er nicht aufzuzeigen (zum Begriff der Willkür BGE 137 I 1 E. 2.4 mit Hinweisen und nachstehend E. 4.1 und E. 4.6). Insbesondere, wenn er behauptet, die Beschwerdegegnerin 2 habe nie Heirats- und Kinderwünsche gehabt, weder sie noch er hätten dauerhaft einen gemeinsamen Haushalt führen wollen, begnügt er sich damit, den vorinstanzlichen Erwägungen seine Sicht der Dinge gegenüberzustellen und kommt er den Begründungsanforderungen an eine Willkürrüge nicht nach (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 mit Hinweis). Weiter verweist er auf den Leumundsbericht der Kantonspolizei Zürich vom 21. Januar 2009, wonach er gemäss Einwohnerkontrolle Zürich am 14. Juni 2004 vom D._ nach unbekannt weggezogen und am 1. Dezember 2004 an den E._ in F._ gezogen sei (kantonale Akten, act. 17/11 S. 2). Dabei verkennt er, dass diese Angaben die vorinstanzliche Auffassung stützen, er habe im massgeblichen Zeitraum bei der Beschwerdegegnerin 2 an der B._-strasse gelebt, zumal er vom 14. Juni bis 1. Dezember 2004 an keiner Adresse gemeldet war. Die vorinstanzliche Schlussfolgerung, wonach er bereits seit Ende November 2003 bei der Beschwerdegegnerin 2 und nicht mehr bei seiner Ex-Ehefrau gelebt habe, ist aufgrund seiner Beziehung zur Beschwerdegegnerin 2 nachvollziehbar und ergibt sich aus ihren glaubhaften Aussagen. Daran vermag auch der Umstand nichts zu ändern, dass er sich erst im Juni 2004 an seinem alten Wohnort am D._ abgemeldet hat. Massgeblich ist das faktische Zusammenwohnen. Nicht nötig ist, dass beide Partner ihren gesetzlichen Wohnsitz am gleichen Ort haben (ROBERTO COLOMBI, Gewalt in der Ehe und Partnerschaft - zur Auslegung der neuen Art. 123, 126 und 180 StGB, ZStrR 123/2005 S. 308). Was der Beschwerdeführer zusätzlich vorbringt, bezieht sich auf die Zeit nach dem Auszug aus der Wohnung an der B._-strasse Ende Oktober 2004 und ist nicht massgeblich.
Die Rüge des Beschwerdeführers ist unbegründet, soweit darauf einzutreten ist. Unter diesen Umständen ist nicht zu beanstanden, dass die Vorinstanz beim Beschwerdeführer und der Geschädigten im massgeblichen Zeitraum von Lebenspartnern im Sinne von Art. 180 Abs. 2 lit. b StGB ausgeht. Es fehlt mithin an keiner Strafbarkeitsvoraussetzung.
4. Der Beschwerdeführer bestreitet die ihm vorgeworfenen Straftaten. Er macht geltend, die vorinstanzliche Beweiswürdigung verstosse gegen das Willkürverbot, verletze die Unschuldsvermutung und seinen Anspruch auf rechtliches Gehör (Beschwerde, S. 8 N. 4.1, S. 15 ff.).
4.1 Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG; vgl. auch Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig ist sie, wenn sie willkürlich ist (BGE 136 II 304 E. 2.4 mit Hinweis). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 137 IV 1 E. 4.2.3 mit Hinweis).
Dem Grundsatz "in dubio pro reo" kommt in seiner vom Beschwerdeführer angerufenen Funktion als Beweiswürdigungsregel im Verfahren vor dem Bundesgericht keine über das Willkürverbot von Art. 9 BV hinausgehende selbstständige Bedeutung zu (BGE 127 I 38 E. 2a mit Hinweisen).
Das rechtliche Gehör gemäss Art. 29 Abs. 2 BV verlangt, dass die Behörde die Vorbringen des vom Entscheid in seiner Rechtsstellung Betroffenen auch tatsächlich hört, prüft und in der Entscheidfindung berücksichtigt. Daraus folgt die Verpflichtung der Behörde, ihren Entscheid zu begründen. Dabei ist es nicht erforderlich, dass sie sich mit allen Parteistandpunkten einlässlich auseinandersetzt und jedes einzelne Vorbringen ausdrücklich widerlegt. Vielmehr kann sie sich auf die für den Entscheid wesentlichen Punkte beschränken. Die Begründung muss so abgefasst sein, dass sich der Betroffene über die Tragweite des Entscheids Rechenschaft geben und ihn in voller Kenntnis der Sache an die höhere Instanz weiterziehen kann. In diesem Sinne müssen wenigstens kurz die Überlegungen genannt werden, von denen sich die Behörde hat leiten lassen und auf die sich ihr Entscheid stützt (BGE 134 I 83 E. 4.1 mit Hinweisen).
4.2 Soweit der Beschwerdeführer die vorinstanzliche Beweiswürdigung betreffend die drei Vorfälle gemäss Anklage S. 3 Abs. 1 beanstandet (Beschwerde, S. 26 ff. N. 7.2 und 7.3), ist auf seine Vorbringen aufgrund der diesbezüglichen Gutheissung der Beschwerde (E. 2.4.3 hievor) nicht einzugehen.
4.3 Die Vorinstanz erachtet es als erwiesen, dass der Beschwerdeführer der Beschwerdegegnerin 2 in der Zeit von Ende November 2003 bis Ende Oktober 2004 mehrfach gedroht hat, er werde sie umbringen und ihr Leben kaputt machen (Anklage, S. 2 Abs. 2; Urteil, E. 3.2.1 S. 47 und E. 4.2 S. 51). Desgleichen sei erstellt, dass er die Beschwerdegegnerin 2 im Sommer 2006 etwa eine halbe Stunde lang daran gehindert habe, die Wohnung an der C._-gasse zu verlassen. Als ihr dies schliesslich gelungen sei, sei er ihr mit einem Fahrzeug gefolgt, worauf sie auf sein Bitten hin in dieses eingestiegen sei. Auf der anschliessenden Fahrt habe er damit gedroht, das Fahrzeug gegen einen Baum zu lenken. Nachdem er auf ihren Wunsch hin, eine Toilette aufsuchen zu dürfen, angehalten habe, habe sie versucht zu fliehen. Er sei ihr indes nachgeeilt und habe sie zur Weiterfahrt gezwungen (Anklage, S. 3 Abs. 3; Urteil, E. 3.2.3 S. 48 und E. 4.4 S. 58 f.). Schliesslich erachtet es die Vorinstanz als erstellt, dass der Beschwerdeführer am Morgen des 20. Februar 2008 der Beschwerdegegnerin 2 erneut mit dem Tod gedroht habe (Anklage, S. 4 Abs. 2; Urteil, E. 3.2.5 S. 48 und E. 4.2 S. 52). Sie stützt sich hiefür im Wesentlichen auf deren Aussagen. Diese erschienen detailreich und nicht nur darauf ausgerichtet, den Beschwerdeführer zu beschuldigen. Sie gebe raumzeitliche Verknüpfungen und eigene sowie psychische Vorgänge des Beschwerdeführers wieder. Weitere Realkennzeichen in ihren Aussagen seien, dass sie Erinnerungs- oder Wissenslücken zugebe und sich auch selber belaste bzw. in ein ungünstiges Licht stelle. Zugleich entlaste sie den Beschwerdeführer teilweise und verzichte auf eine übertriebene Darstellung des Geschehenen (Urteil, E. 3.1.6 S. 31 ff.). Die Aussagen des Beschwerdeführers seien hingegen hinsichtlich der konkreten Belastungen detailarm. Sodann habe er über Seiten hinweg Aussagen getätigt, die nichts mit der Thematik direkt zu tun gehabt hätten. Insbesondere habe er stets versucht, die Beschwerdegegnerin 2 wie auch deren Mutter und deren Freundin - beides Zeuginnen im Verfahren - in ein schlechtes Licht zu stellen. Er reagiere weitgehend mit Gegenangriffen und stelle sich selbst als Opfer dar. Spontane Verbesserungen der eigenen Aussagen, Eingeständnisse von Erinnerungslücken, Einwände gegen die Richtigkeit der eigenen Aussagen, Selbstbelastungen oder Entlastungen der Beschwerdegegnerin 2 seien in seinen Aussagen kaum zu finden (Urteil, E. 3.1.7 f. S. 42 ff.).
4.4 Der Beschwerdeführer rügt, die Vorinstanz schränke ihr Ermessen im Bereich der Beweiswürdigung zu Unrecht ein, indem sie seinen Beweisantrag, die Beschwerdegegnerin 2 und die Zeugen erneut einzuvernehmen, mit der Begründung ablehne, das anwendbare Prozessrecht sehe die unmittelbare Wahrnehmung des Aussageverhaltens von Zeugen nicht vor. Damit begehe sie einen Ermessensfehler, da eine erneute Zeugeneinvernahme gemäss Schweizerischer Strafprozessordnung möglich gewesen sei (Beschwerde, S. 23 N. 6.7).
Das Vorbringen geht offensichtlich fehl. Die Vorinstanz erwägt, im Berufungsverfahren finde eine Wiederholung von Beweismassnahmen nur aus besonderen Gründen statt. Ein Anspruch auf nochmalige Abnahme der bereits vor der Untersuchungsbehörde und der Vorinstanz abgenommenen Beweise bestehe nicht. Auf die erneute Einvernahme der Zeugen sei vorliegend zu verzichten. Diesen Beschluss begründet sie ausführlich und beruft sich auf das kantonale Prozessrecht, das vorliegend noch anwendbar ist (Art. 453 Abs. 1 der Schweizerischen Strafprozessordnung vom 5. Oktober 2007 [StPO; SR 312.0]).
4.5 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz gehe in ihrer Beweiswürdigung methodisch falsch vor, indem sie die Aussagen gesamthaft und nicht vorwurfsspezifisch würdige. Für den Nachweis von Realitätskriterien in den Aussagen der Geschädigten ziehe sie überwiegend Schilderungen zu Vorfällen herbei, die nicht zur Anklage zugelassen worden seien, für die er freigesprochen worden sei oder die unbestrittenes Nebengeschehen betreffen würden (Beschwerde, S. 15 ff. N. 6.3).
Die Behauptung ist unbegründet. Die Vorinstanz verweist zunächst auf die gemäss ihrer Ansicht nach zutreffenden Ausführungen der ersten Instanz zu den einzelnen Sachverhalten (Urteil, E. 3.1.6 S. 31). Anschliessend analysiert sie das Aussageverhalten der Beschwerdegegnerin 2 und des Beschwerdeführers insgesamt, und zeigt Realkennzeichen sowie Lügenmerkmale auf, bezieht sich aber auch auf die einzelnen - noch relevanten - Sachverhalte und begründet, weshalb sie diese als erstellt erachtet (Urteil, insbesondere E. 3.1.6 S. 36 f. zu Anklage, S. 3 Abs. 3; S. 38 zu Anklage, S. 2 Abs. 2 und S. 41 f. zu Anklage, S. 4 Abs. 2). Es ist nicht ersichtlich, inwiefern die Vorinstanz methodisch falsch vorgeht.
4.6 Unbegründet ist die Rüge, die Vorinstanz setze sich mit den Vorbringen des Beschwerdeführers zur Glaubhaftigkeit der Aussagen nicht oder unzureichend auseinander, weshalb sie dessen Anspruch auf rechtliches Gehör verletze (Beschwerde, S. 8 N. 4.1). Die Vorinstanz begründet ausführlich, weshalb sie die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 als glaubhaft bzw. diejenigen des Beschwerdeführers als unglaubhaft erachtet. Dabei setzt sie sich mit den wesentlichen Einwänden des Beschwerdeführers auseinander (Urteil, E. 3.1.6 S. 36 ff.). Insbesondere legt sie dar, dessen Hypothese, die Beschwerdegegnerin 2 habe mit der Strafanzeige gegen ihn seine polizeiliche Wegweisung aus ihrer Wohnung bezweckt, weshalb sie ihn zu Unrecht belaste (Beschwerde, S. 17 N. 6.4 und S. 28 ff. N. 7.4), werde durch keine Hinweise gestützt. Die Beschwerdegegnerin 2 habe auf Mehrbelastungen oder Aggravierungen verzichtet, und den Beschwerdeführer teilweise auch entlastet, was gegen das angebliche Motiv spreche (Urteil, E. 3.1.2 S. 29). Weiter befasst sich die Vorinstanz mit dem Einwand des Beschwerdeführers, die psychologische Stimmigkeit der Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 sei nicht berücksichtigt worden. Das Bild, das diese von der Beziehung als ein über Jahre andauerndes "Terrorregime" zeichne, stimme nicht mit den tatsächlichen Gegebenheiten überein. Richtig sei, dass die Beschwerdegegnerin 2 stets ein unabhängiges und selbstbestimmtes Leben geführt habe (Beschwerde, S. 21 ff. N. 6.6). Die Vorinstanz erwägt hierzu, der Beschwerdeführer beschränke sich auf Behauptungen, die zudem nicht wie von diesem behauptet auf einen Strukturbruch in den Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 hinweisen würden, sondern lediglich deren Leben beschreiben (Urteil, E. 3.1.6 S. 37 f.). Inwiefern die vorinstanzlichen Erwägungen willkürlich sein sollen, vermag der Beschwerdeführer nicht aufzuzeigen. Was er im Zusammenhang mit einem möglichen Motiv zur Falschaussage der Beschwerdegegnerin 2 vorbringt, weist allenfalls darauf hin, dass diese wollte, dass er aus ihrer Wohnung auszieht (Beschwerde, S. 17 ff. N. 6.4). Dies ist ihr indes nicht vorzuhalten und lässt insbesondere nicht den Schluss zu, sie habe ihn zu diesem Zweck zu Unrecht beschuldigt. Der Beschwerdeführer verkennt, dass es für eine Willkürrüge nicht genügt, seine Sicht der Dinge darzutun, ohne aufzuzeigen, inwiefern der vorinstanzliche Entscheid willkürlich sein soll. Willkür nach Art. 9 BV liegt nach ständiger Rechtsprechung nicht schon dann vor, wenn eine andere Lösung ebenfalls als vertretbar erscheint. Vielmehr gilt aufzuzeigen, dass der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist, mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht, eine Norm oder einen unumstrittenen Rechtsgrundsatz krass verletzt oder in stossender Weise dem Gerechtigkeitsgedanken zuwiderläuft (BGE 137 I 1 E. 2.4 mit Hinweisen). Weiter beschränkt sich der Beschwerdeführer auf das Vorbringen appellatorischer Kritik am angefochtenen Urteil, wenn er ausführt, wie seine Aussagen und diejenigen der Beschwerdegegnerin 2 richtigerweise zu würdigen gewesen wären (Beschwerde, S. 31 ff. N. 7.6). Darauf ist nicht einzutreten.
4.7 Im Zusammenhang mit dem Vorwurf der Freiheitsberaubung im Sommer 2006 (Anklage, S. 3 Abs. 3) macht der Beschwerdeführer geltend, die Vorinstanz habe zu Unrecht darauf verzichtet, einen Augenschein vorzunehmen, obschon er dies beantragt habe. Insbesondere bestünden Widersprüche bezüglich des Ortes, wo er einen Toilettenhalt gemacht und die Beschwerdegegnerin 2 einen Fluchtversuch unternommen habe, und ob dies stadtauswärts oder -einwärts gewesen sei (Beschwerde, S. 24 f. N. 7.1).
Die Vorinstanz räumt ein, die Aussagen der Beschwerdegegnerin 2 seien diesbezüglich widersprüchlich. Insbesondere habe die Geschädigte den Wendepunkt und den Ort des Toilettenhalts nicht genau angeben können. Offensichtlich kenne sie die Strecke nur schlecht. In den Kernpunkten seien ihre Aussagen indes widerspruchsfrei. Unter anderem sei klar, dass der Fluchtversuch auf der Fahrt stadtauswärts stattgefunden, und der Beschwerdeführer das Fahrzeug erst danach gewendet habe (Urteil, E. 3.1.6 S. 36 f.). Es ist nicht offensichtlich unrichtig, wenn sich die Vorinstanz auf die klare Aussage der Beschwerdegegnerin 2 stützt, wonach diese auf nochmalige Frage des Staatsanwaltes am Ende der Einvernahme, wann sie den Fluchtversuch unternommen habe, ausdrücklich ausgesagt habe, dies sei auf dem Weg von der Stadt Zürich seeaufwärts gewesen. Danach habe der Beschwerdeführer das Fahrzeug gewendet (Urteil, E. 3.1.6 S. 36 unten; kantonale Akten, act. 7/4 S. 22). Nicht zu beanstanden ist ferner, dass die Vorinstanz auf einen Augenschein verzichtete (Urteil, E. 2.7.5 S. 23 f.). Sie durfte in antizipierter Beweiswürdigung davon ausgehen, ihre Überzeugung werde durch weitere Beweiserhebungen nicht geändert (vgl. BGE 136 I 265 E. 3.2; 136 I 229 E. 5.3; je mit Hinweisen). Zumal unbestritten ist, dass sowohl die Autofahrt wie auch der Toilettenhalt stattgefunden haben (Urteil, E. 3.1.7 S. 45 unten). Bestritten ist alleine, ob der Beschwerdeführer die Beschwerdegegnerin 2 nach dem Toilettenhalt zur Weiterfahrt zwang. Zur Klärung dieser Frage ist der genaue Ort des Toilettenhalts in Übereinstimmung mit der Vorinstanz unerheblich (Urteil, E. 3.2.3 S. 48). Das Vorbringen des Beschwerdeführers geht insofern an der Sache vorbei.
4.8 Die Rügen im Zusammenhang mit der vorinstanzlichen Beweiswürdigung sind abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
5. Bei diesem Verfahrensausgang erübrigt es sich, auf die Vorbringen des Beschwerdeführers im Zusammenhang mit der Strafzumessung einzugehen (Beschwerde, S. 36 ff. N. 9). Diese wird die Vorinstanz erneut vornehmen müssen.
6. Die Beschwerde zielt sodann gegen die Verpflichtung des Beschwerdeführers zur Bezahlung einer Genugtuung an die Beschwerdegegnerin 2 (Beschwerde, S. 38 N. 10). Die Bemessung der Genugtuung richtet sich vor allem nach der Art und Schwere der Verletzung, der Intensität und Dauer der Auswirkungen auf die Persönlichkeit der Betroffenen sowie dem Grad des Verschuldens des Schädigers (BGE 132 II 117 E. 2.2.2 mit Hinweisen). Bei der erneuten Strafzumessung wird die Vorinstanz auch über die Höhe der Genugtuung nochmals zu entscheiden haben, weshalb sich Ausführungen hierzu erübrigen.
Die Vorinstanz wird ebenfalls die Kosten- und Entschädigungsregelung neu vornehmen sowie die Frage einer allfälligen Bezahlung von Schadenersatz und Genugtuung an den Beschwerdeführer neu beurteilen. Auf seine diesbezüglichen Vorbringen ist nicht einzugehen (Beschwerde, S. 39 ff. N.10 ff.; ergänzende Beschwerde vom 18. Oktober 2011).
7. Die Beschwerde ist teilweise gutzuheissen. Im Übrigen ist sie abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Urteil und der Beschluss des Obergerichts des Kantons Zürich vom 7. Juli 2011 und vom 17. September 2011 sind aufzuheben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen.
Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird im Umfang des teilweisen Obsiegens des Beschwerdeführers gegenstandslos. Soweit er unterliegt, ist es zufolge Aussichtslosigkeit der Beschwerde abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 BGG). Seiner finanziellen Lage ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen (Art. 65 Abs. 2 BGG). Der Kanton Zürich hat ihm für das bundesgerichtliche Verfahren im Umfang seines teilweisen Obsiegens eine angemessene Parteientschädigung auszurichten (Art. 68 Abs. 1 und 2 BGG). Die Entschädigung ist dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers zuzusprechen.
Der Beschwerdegegnerin 2 sind weder Gerichtskosten aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG) noch hat sie eine Parteientschädigung zu entrichten (Art. 68 Abs. 1 BGG), da sie auf eine Vernehmlassung verzichtet hat.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird teilweise gutgeheissen, das Urteil und der Beschluss des Obergerichts des Kantons Zürich vom 7. Juli 2011 und vom 17. September 2011 werden aufgehoben und die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen. Im Übrigen wird die Beschwerde abgewiesen, soweit darauf eingetreten wird.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen, soweit es nicht gegenstandslos geworden ist.
3. Dem Beschwerdeführer werden Gerichtskosten von Fr. 500.-- auferlegt.
4. Der Kanton Zürich hat dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers für das bundesgerichtliche Verfahren eine Entschädigung von Fr. 1'500.-- auszurichten.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 14. Mai 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Pasquini