Sachverhalt:
A. X._ wurde erstinstanzlich unter anderem wegen sexueller Handlungen mit einem Kind (z.N. von Aa._), Nötigung sowie Drohung zu einer Freiheitsstrafe von drei Jahren verurteilt. Dagegen erhoben X._, die Kläger Aa._, Ab._ und Ac._, sowie die Staatsanwaltschaft des Kantons St. Gallen Berufung. Das Kantonsgericht St. Gallen sprach X._ mit Urteil vom 3. Juni 2009 zusätzlich der Vergewaltigung, der sexuellen Handlungen mit einem Kind (z.N. von B._), der Gewalt und Drohung gegen Behörden und Beamte sowie der mehrfachen Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz schuldig. Es verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von fünf Jahren und ordnete die Verwahrung an.
B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, das Urteil des Kantonsgerichts sei teilweise aufzuheben, und er sei von den Vorwürfen der Vergewaltigung, der mehrfachen sexuellen Handlungen mit einem Kind, der Nötigung sowie der Drohung freizusprechen. Von einer Verwahrung sei abzusehen. Eventualiter sei das Urteil aufzuheben und im Sinne der Erwägungen an die Vorinstanz zurückzuweisen. Zudem ersucht X._ um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
C. Das Kantonsgericht St. Gallen und Aa._ verzichten auf Vernehmlassung. Die Staatsanwaltschaft des Kantons St. Gallen beantragt die Abweisung der Beschwerde, soweit darauf einzutreten sei.
Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer beantragt die Durchführung eines zweiten Schriftwechsels. Im Verfahren vor Bundesgericht findet in der Regel kein zweiter Schriftenwechsel statt (Art. 102 Abs. 3 BGG). Ein solcher erscheint vorliegend auch nicht als erforderlich.
2. Vergewaltigung und sexuelle Handlungen mit einem Kind (z.N. von Aa._)
2.1 Die Anklageschrift vom 18. Dezember 2007 wirft dem Beschwerdeführer vor, am 2. Mai 2006 die damals 15-jährige Aa._ in seiner Wohnung vergewaltigt zu haben (angefochtenes Urteil E. I. S. 3).
2.2 Das Kreisgericht Rheintal führte aus, die Aussagen von Aa._ zu den sexuellen Handlungen würden keine Widersprüche aufweisen. Die Abweichungen seien darauf zurückzuführen, dass sie den Tatort zuerst fiktiv in die Garage verlegt habe. Aa._ und der Beschwerdeführer hätten übereinstimmend ausgesagt, sich bis zum 2. Mai 2006 gut verstanden zu haben. Aa._ habe weder einen Grund für eine völlig erfundene Anschuldigung gehabt noch sei sie von ihren Eltern zu einer solchen veranlasst worden. Dies lege den Schluss nahe, dass es zu der sexuellen Handlung gekommen sei. Hingegen habe Aa._ zu den Schlägen und zur sonst eingesetzten Gewalt widersprüchliche Angaben gemacht. Es könne nicht ausgeschlossen werden, dass sie den Beschwerdeführer gleich auch der Vergewaltigung bezichtigt haben könnte. In ihren Aussagen sei ein gewisses Indiz dafür zu erblicken, dass es sich bei der sexuellen Handlung um eine abgesprochene Gegenleistung für Marihuana, welches sie nicht habe bezahlen können, gehandelt haben könnte. Dies würde erklären, wieso ihr der Beschwerdeführer vor dem Treffen eine so erwartungsvolle SMS geschrieben und ihr nach dem Treffen eine vor Dank überschäumende SMS habe zukommen lassen. Hätte sich Aa._ auf das Angebot eingelassen, hätte sie durchaus Grund gehabt, ihm im Zusammenhang mit der sexuellen Handlung eine Vergewaltigung zu unterstellen (Urteil des Kreisgerichts Rheintal vom 23./26. April 2008 S. 36 ff.).
2.3 Die Vorinstanz hält die Schilderung von Aa._ über den Ablauf der Ereignisse in der Wohnung des Beschwerdeführers als stimmig und nachvollziehbar. Die vom Beschwerdeführer geschilderte Version, wonach es ein normaler Wohnungsbesuch gewesen sei, sei demgegenüber nicht plausibel. Der Beschwerdeführer habe Aa._ als Drogenkonsumentin an sich gebunden und vorgegeben, die Drogen bei sich zuhause zu haben. Die von Aa._ geschilderten Ereignisse in der Wohnung erschienen so als logische Konsequenz dessen, worauf der Beschwerdeführer hingearbeitet habe. Hätte Aa._ eine Falschbelastung des Beschwerdeführers beabsichtigt, hätte sie nicht zuerst jeglichen Vorfall verneint und erst später den sexuellen Übergriff und zuletzt den tatsächlichen Tatort preisgegeben. Gemäss ihrer Aussage habe sie zuerst die Garage des Beschwerdeführers genannt, damit es nicht heisse, sie sei selber schuld. Diese Begründung erscheine durchaus nachvollziehbar, und es liege auf der Hand, dass sie beim "Tatort Garage" andere Details erzählt habe. Die Schilderung zum Geschehen in der Wohnung weise viele originelle Details auf, welche vom Beschwerdeführer bestätigt würden. Das Kreisgericht verneine eine Vergewaltigung, da Aa._ zur eingesetzten Gewalt unterschiedliche Angaben gemacht habe. Dies treffe nur vordergründig zu. Eine immer gleiche Schilderung könne bei sehr raschen Bewegungsabläufen nicht erwartet werden. Zudem habe Aa._ die Gewalthandlungen zwar verschieden, im Kerngeschehen aber im Wesentlichen unverändert umschrieben. Insgesamt sei der angeklagte Sachverhalt als erwiesen zu betrachten (angefochtenes Urteil E. 1 S. 9 ff.).
2.4 Der Beschwerdeführer rügt eine offensichtlich unrichtige Feststellung des Sachverhalts. Er bringt vor, Aa._ sei höchstens 20 Minuten in seiner Wohnung gewesen. Er habe ihr die Garage und sämtliche Zimmer der Wohnung gezeigt, und sie habe auf dem Balkon geraucht. Es sei unmöglich, dass in dieser Zeit noch eine Vergewaltigung stattgefunden haben soll. Aa._ habe anfänglich ausgesagt, in seiner Garage vergewaltigt worden zu sein. Dabei habe sie den Vorgang örtlich und sachlich teilweise unmöglich beschrieben. Weiter sei willkürlich, dass die Vorinstanz die Aussagen zur körperlichen Gewalt als im Kerngeschehen unverändert und die Übertreibung als geringfügig erachte. Zur Frage nach den Schmerzen habe Aa._ lediglich erklärt, während des Vorganges habe es schon etwas weh getan. Dies spreche gegen eine Vergewaltigung, welche viel grössere Schmerzen und Hautrisse im Vaginalbereich hinterlassen hätte. Zudem habe Aa._ eindeutig von sich aus erwähnt, dass er über eine starke Körperbehaarung verfüge. Da dies nachweislich nicht zutreffe, sei der Beweis erbracht, dass Aa._ ihn nie nackt gesehen habe. Im Hinblick auf die Aussagepsychologie habe Aa._ weder einen Detailreichtum noch ausgefallene oder nebensächliche Einzelheiten geschildert. Aufgrund ihrer vorgängigen sexuellen Erfahrungen habe sie nichts erwähnt, was über ihr Alltagswissen hinausgehe. Zusammengefasst blieben unüberwindbare Zweifel an der Glaubhaftigkeit der Aussagen von Aa._.
2.5 Aus der in Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 2 EMRK verankerten Unschuldsvermutung wird die Rechtsregel "in dubio pro reo" abgeleitet. Als Beweiswürdigungsregel besagt der Grundsatz, dass sich der Strafrichter nicht von einem für den Angeklagten ungünstigen Sachverhalt überzeugt erklären darf, wenn bei objektiver Betrachtung Zweifel bestehen, ob sich der Sachverhalt so verwirklicht hat. Auf dem Gebiet der Beweiswürdigung ist die Kognition des Bundesgerichts auf Willkür beschränkt. Willkür liegt vor, wenn 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 135 I 313 E. 1.3 S. 316; 129 I 173 E. 3.1 S. 178; je mit Hinweisen).
2.6 Die Vorinstanz stützt sich insbesondere auf die Aussagen von Aa._ und des Beschwerdeführers. Diese Aussagen sind auf ihre Glaubhaftigkeit und Überzeugungskraft zu überprüfen, um aus ihnen verbindliche Schlüsse auf den relevanten Sachverhalt ziehen zu können. Dabei kommt es in erster Linie auf die Aussageanalyse an, die sich bei der Abklärung des Wahrheitsgehaltes von Aussagen weitgehend durchgesetzt hat (vgl. dazu BGE 133 I 33 E. 4.3 S. 45 mit Hinweisen). Wie nachfolgend dargelegt, beruht die vorinstanzliche Beweiswürdigung in weiten Teilen auf Mutmassungen. Insgesamt fehlt es an einer umfassenden Beweiswürdigung.
2.6.1 Vorab ist festzuhalten, dass sich der Beschwerdeführer teilweise nicht mit den vorinstanzlichen Erwägungen auseinandersetzt, sondern seine Ausführungen wiederholt, welche er in der Berufung vorgebracht hat. So führt die Vorinstanz beispielsweise aus, die Aussagen von Aa._ zur Frage der Brusthaare des Beschwerdeführers seien ungenau und interpretationsbedürftig. Es könne auch sein, dass sie die Frage ein Jahr nach dem Vorfall nicht mehr habe beantworten können. Zudem habe sie ausgesagt, sie könne sich an nichts Spezielles am Aussehen des Beschwerdeführers erinnern, als er sich ausgezogen hatte (angefochtenes Urteil E. 1 e cc S. 12 f.). Die Zeitangaben des Beschwerdeführers zum Wohnungsbesuch erachtet die Vorinstanz als Parteibehauptungen. Sie hält fest, selbst wenn Aa._ lediglich eine Viertelstunde bei ihm in der Wohnung gewesen wäre, würde dies für die geschilderte Vergewaltigung zeitlich ausreichen (angefochtenes Urteil E. 1 e dd S. 13 f.). Was der Beschwerdeführer gegen diese Erwägungen vorbringt, erschöpft sich in einer appellatorischen Kritik am angefochtenen Urteil. Daraus ergibt sich nicht, dass und inwiefern die Vorinstanz den Sachverhalt willkürlich im Sinne von Art. 9 BV festgestellt haben könnte. Soweit die Rügen deshalb den Begründungsanforderungen nicht genügen, ist darauf nicht einzutreten (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 135 I 313 E. 1.3 S. 316 mit Hinweisen).
2.6.2 Die Vorinstanz wertet die Aussagen des Beschwerdeführers zugunsten der Glaubhaftigkeit der Aussagen von Aa._. Sie hält fest, der Beschwerdeführer bestätige viele der von Aa._ geschilderten Einzelheiten zur Entwicklung ihrer Bekanntschaft und zum Ablauf ihres Besuchs in seiner Wohnung. Er habe ausgesagt, Aa._ sei immer wieder am Bahnhof "herumgehängt", weshalb er gedacht habe, sie sei eine Kifferin. Er habe sie einmal gefragt, ob sie von ihm Hanf wolle, und so sei es gekommen, dass er ihr ca. viermal etwas gegeben habe. Da sie eigentlich nie habe bezahlen können, habe er die Drogen gegen getragene Slips "verkauft" und sie auch einmal gefragt, ob sie mit ihm Sex haben möchte. Die Vorinstanz folgert, die Schilderungen von Aa._ seien stimmig und würden viele originelle Details aufweisen, welche vom Beschwerdeführer bestätigt würden. Auch das Kreisgericht gehe davon aus, dass es in der Wohnung des Beschwerdeführers zu sexuellen Handlungen gekommen sei (angefochtenes Urteil E. 1 S. 7 ff.).
Diese Aussagewürdigung erweist sich als einseitig. Zwar ist nicht zu beanstanden, wenn die Vorinstanz die Aussagen von Aa._ als überzeugend ansieht, soweit sie mit der Darstellung durch den Beschwerdeführer übereinstimmen. Daraus müsste jedoch auch der Schluss gezogen werden, dass der Beschwerdeführer in weiten Teilen ebenfalls wahrheitsgemässe Aussagen macht. Dazu kommt, dass seine Darstellung zur Kontaktaufnahme mit Aa._ und der Abgabe von Hanf als Gegenleistung für sexuelle Gefälligkeiten ihn in keinem vorteilhaften Licht erscheinen lassen, was durchaus für seine Glaubwürdigkeit sprechen kann. Jedenfalls lässt sich nicht sagen, wie dies die Vorinstanz tut, dass der vom Beschwerdeführer geschilderten Version des Geschehens jegliche Plausibilität fehle. Daraus, dass der Beschwerdeführer allenfalls einen Plan hatte, Aa._ als Drogenkonsumentin an sich zu binden, zu ihr eine enge Beziehung aufzubauen und ihre Abhängigkeit zu erreichen, lässt sich noch nichts herleiten. Ebenso wenig ist der blosse Umstand, sie am 2. Mai 2006 in seine Wohnung gelockt zu haben, als wesentliches Indiz für eine nachfolgende Gewaltanwendung zu würdigen. Die vorinstanzliche Erwägung ist unhaltbar, wonach die von Aa._ geschilderten Ereignisse in der Wohnung - nämlich die der Wohnungsbesichtigung folgende Vergewaltigung, nachdem er nicht freiwillig bekam, was er wollte - als logische Konsequenz dessen erscheinen würden, worauf der Beschwerdeführer hingearbeitet habe. Diese Folgerung wird denn auch nicht weiter begründet. Der Schwachpunkt in der vorinstanzlichen Beweiswürdigung liegt letztlich darin, dass nicht zwischen dem Tatbestand der sexuellen Handlungen an sich und jenem der Gewaltanwendung unterschieden wird, so wie es das Kreisgericht in seinem Urteil getan hat. Stattdessen argumentiert die Vorinstanz, dass die an sich glaubhaften, in verschiedenen Punkten mit der Darstellung des Beschwerdeführers übereinstimmenden Aussagen von Aa._ über die Bekanntschaft und den Ablauf des Wohnungsbesuches auch die behauptete Gewaltanwendung beweisen würde. Davon kann jedoch angesichts des auffälligen Aussageverhaltens von Aa._ nicht ausgegangen werden.
2.6.3 Die Vorinstanz weist selbst darauf hin, dass die Geschädigte die Gewaltanwendung unterschiedlich umschrieben hat (vorinstanzliches Urteil S. 17). Eine eingehende Würdigung der Aussagen von Aa._ nimmt sie jedoch nicht vor. Dies wäre umso notwendiger gewesen, als die Vorinstanz (hauptsächlich) auf deren Angaben abstellt. Von einer im Kerngehalt übereinstimmenden Aussage kann keine Rede sein. Die Vorinstanz führt aus, es treffe (vordergründig) zu, dass Aa._ zu den Schlägen und zur sonst eingesetzten Gewalt unterschiedliche Angaben gemacht habe. Eine immer gleiche Schilderung zu raschen Bewegungsabläufen könne jedoch nicht erwartet werden. Zu beachten sei, dass Aa._ die Gewalthandlungen zwar verschieden, im Kerngeschehen aber im Wesentlichen unverändert umschrieben habe. Zuerst habe sie von einer Ohrfeige und anschliessend einem Schlag in den Bauch, dann nur noch von einem Schlag in den Bauch und schliesslich nur noch von einem gewalttätigen Halten und "glaublich" noch von einem Schlag in den Bauch gesprochen. An die Ohrfeige habe sie sich in der letzten Bekundung wieder erinnern wollen, nicht mehr aber an den Schlag in den Bauch. In der Schilderung des Ausmasses der Gewalt sei Aa._ ungenau. Dies schliesse die zwanghafte Situation, in der sie zum Widerstand unfähig gewesen sei, jedoch nicht aus. Geringfügige Übertreibungen könnten die generelle Glaubwürdigkeit hinsichtlich der Vorgänge in der Wohnung nicht in Frage stellen, gelte es doch zu berücksichtigen, dass es sehr leichtsinnig von Aa._ gewesen sei, dem Beschwerdeführer nach den früher erfolgten sexuellen Wünschen in seine Wohnung zu folgen. Es könne daher nicht ausgeschlossen werden, dass sie ihre Aussagen zur Gewalt bewusst verstärkt habe, damit ihr geglaubt werde (angefochtenes Urteil E. 1 g S. 17 ff.).
Mit einer solchen Begründung können die Zweifel, welche angesichts der unklaren Aussagen zur Gewaltanwendung entstehen, nicht aus dem Wege geräumt werden. Die unterschiedliche Schilderung der behaupteten Gewalteinwirkung lässt sich nicht mit dem Hinweis aus der Welt schaffen, es handle sich um geringfügige Übertreibungen. Wenn sich die Vorinstanz zudem zu deren Grund äussert, stellt sie eine blosse Vermutung an, die durch nichts belegt ist. Denn Aa._ selber hat nie geltend gemacht, die Gewalthandlungen bewusst übertrieben dargestellt zu haben.
2.6.4 Die Vorinstanz führt weiter aus, das Kreisgericht habe den Fokus zu sehr auf die rein physische Gewalt gerichtet und die psychische Gewalt ausser Acht gelassen. Allein schon die äusseren Umstände und die Örtlichkeit liessen den Schluss nicht zu, dass es zwischen den Beiden zu einem "gewaltlosen" Sexualgeschehen gekommen sei. Aa._ sei dem Beschwerdeführer in der abgeschlossenen Wohnung ausgeliefert und körperlich unterlegen gewesen. Nachdem sie nachweislich die sexuellen Avancen des Beschwerdeführers früher stets zurückgewiesen habe, sei nicht nachvollziehbar, dass sie plötzlich in den Geschlechtsverkehr hätte einwilligen sollen. Eine Vergewaltigung passe auch zum geschilderten Nachtatverhalten von Aa._, wonach sie die Kleider gewaschen, geduscht und gekifft habe. Dass sie freiwillig mit dem Beschwerdeführer in die Wohnung gegangen sei, habe nicht das Geringste mit einem möglichen Einverständnis zu einer sexuellen Handlung zu tun, sondern mit dem Bezug von Drogen. Es erscheine offenkundig, dass Aa._ nicht mit dem Beschwerdeführer sexuell habe verkehren wollen, zumal sie ja bei anderer Gelegenheit dessen weniger weit gehenden Wünsche abgelehnt habe (angefochtenes Urteil E. 1 g S. 17 f.).
Diese Argumentation ist weitgehend spekulativ und wenig überzeugend. Die Vorinstanz geht nicht darauf ein, dass Aa._ als Gegenleistung für Drogen in die sexuellen Handlungen eingewilligt haben könnte. Ihr Vater fand im Anschluss an den Vorfall in ihrem Zimmer Marihuana, worauf er bei der Polizei eine Anzeige einreichte (s. angefochtenes Urteil E. 1 a/aa S. 7). Zur Rede gestellt, habe Aa._ erklärt, die Drogen beim "Y._" (d.h. beim Beschwerdeführer) gekauft zu haben. Gegenüber ihrer Mutter erklärte sie, die Drogen statt mit Geld auch "mit sexuellen Gefälligkeiten" bezahlen zu können. Die Möglichkeit, dass sie zum Selbstschutz und als Erklärung den Beschwerdeführer der Vergewaltigung beschuldigte, ist deshalb nicht abwegig. Das SMS, welches der Beschwerdeführer nach dem Wohnungsbesuch an Aa._ schickte, um sich für den schönen Abend zu bedanken, wertet die Vorinstanz wiederum in einseitiger Weise zu Ungunsten des Beschwerdeführers. Sie führt aus, dieser interpretiere unverrückbare Realitäten in seinen Sinne um. So betrachtet mache das SMS auch bei einer Vergewaltigung Sinn (angefochtenes Urteil E. 1 S. 20). Die Vorinstanz berücksichtigt das SMS nicht auch als mögliches Indiz dafür, dass Aa._ in die Handlungen eingewilligt haben könnte.
2.7 Die vorinstanzliche Beweiswürdigung erscheint in einzelnen Teilen und in ihrer Gesamtheit als willkürlich. Zwar ist nicht zu beanstanden, wenn die Vorinstanz gestützt auf die teilweise übereinstimmenden Aussagen der Beteiligten es als erwiesen ansieht, dass es zwischen den Beiden zu sexuellen Handlungen gekommen ist. Hingegen erscheinen ihre Erwägungen zum Tatbestandsmerkmal der Gewalt einseitig und im Ergebnis willkürlich. Es bleiben unüberwindbare Zweifel, ob sich der entscheidende Sachverhalt wie von Aa._ geschildert ereignet hat. Somit verstösst die Verurteilung wegen Vergewaltigung gegen den Grundsatz "in dubio pro reo". Die Beschwerde ist in diesem Punkt gutzuheissen, das angefochtene Urteil aufzuheben und die Sache zu neuer Entscheidung im Schuld- und Strafpunkt an die Vorinstanz zurückzuweisen. Es erübrigt sich, auf die Rügen des Beschwerdeführers, die Abweisung der Beweisanträge würden seinen Anspruch auf rechtliches Gehör verletzen, einzugehen.
3. Nötigung und Drohung
3.1 Der Beschwerdeführer fuhr am 30. Oktober 2006 beim Überholen des von C._ gelenkten Fahrzeugs zuerst einige Sekunden neben dem Fahrzeug her. Anschliessend schwenkte er mit viel zu geringem Abstand vor deren Fahrzeug auf die rechte Fahrbahn und drängte sie immer mehr gegen die Seite. Im Anschluss an den Vorfall rief der Beschwerdeführer Ab._ - die Mutter von Aa._ - an und erklärte, es gebe heute noch eine lustige Nacht, und sie müsse aufpassen (angefochtenes Urteil E. 3 S. 24; Urteil des Kreisgerichts Rheintal vom 23./26. April 2008 S. 63 ff.).
3.2 Die Vorinstanz hält den Sachverhalt aufgrund der übereinstimmenden Aussagen von C._, der Beifahrer Aa._ und Ad._ sowie von Ab._ als erstellt. Wesentliche Teile dieser Aussagen würden durch den Beschwerdeführer sowie durch objektive Momente bestätigt (angefochtenes Urteil E. 3 S. 24).
3.3 Der Beschwerdeführer bestreitet die Vorwürfe. Er habe das Fahrzeug von C._ nicht abgedrängt. Weil er gedacht habe, Aa._ sitze am Steuer, habe er der Polizei gemeldet, dass das betreffende Fahrzeug mit einer Lenkerin ohne Führerausweis unterwegs sei. Anschliessend habe er Ab._ telefonisch über das Geschehen informiert und sei von ihr beschimpft worden.
3.4 Der Beschwerdeführer gibt mit seinen Ausführungen 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. Darauf ist nicht einzutreten (Art. 106 Abs. 2 BGG).
4. Sexuelle Handlungen mit einem Kind (z.N. von B._)
4.1 Für die Vorinstanz ist erstellt, dass der Beschwerdeführer am 24. Juni 2006 im Freibad in Frauenfeld die damals 11-jährige B._ beim Hochheben aus dem Wasser einmal am Gesäss und beim Herumdrehen an der Brust angefasst sowie zweimal ihren Schambereich an die Wasserdüsen gedrückt hat. In rechtlicher Hinsicht führt sie aus, der Beschwerdeführer habe diese Handlungen trotz Gegenwehr von B._ vorgenommen. Er habe B._ nicht nur flüchtig berührt, sondern während ca. einer Minute absichtlich festgehalten. Seine Handlungen gingen hinsichtlich der Intensität und der Qualität klar über das hinaus, was als harmloses Spiel gelte. Hinzu komme, dass beide nur mit einem Badeanzug bekleidet gewesen seien. Unter Berücksichtigung der gesamten Umstände - Kindesalter von B._ und deren Altersunterschied zum Beschwerdeführer, Dauer und Wiederholungen der Berührungen sowie Umfeld Schwimmbad - sei der sexuelle Bezug der Handlungen des Beschwerdeführers offenkundig (angefochtenes Urteil E. 4 S. 25 f.).
4.2 Der Beschwerdeführer bringt vor, die vorinstanzlichen Ausführungen und Schlussfolgerungen seien willkürlich. Er habe B._ ins Spiel mit den anderen Kindern integrieren wollen. Es habe überhaupt keinen sexuellen Anstrich, ein Mädchen im Alter von 11 Jahren spielerisch aus dem Wasser zu heben. Die Wasserdüsen seien auf unterschiedlicher Höhe angebracht gewesen. Er habe B._ an die nächste Düse gehalten, ohne zu wissen, dass sich diese auf Höhe ihres Schambereichs befunden habe.
4.3 Gemäss Art. 187 Ziff. 1 Abs. 1 StGB wird mit Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder Geldstrafe bestraft, wer mit einem Kind unter 16 Jahren eine sexuelle Handlung vornimmt. Gemäss Rechtsprechung lassen sich sexuelle Handlungen nach der Eindeutigkeit ihres Sexualbezugs abgrenzen. Sind die Handlungen objektiv eindeutig sexualbezogen, kommt es nicht mehr auf das subjektive Empfinden, die Motive oder die Bedeutung, die das Verhalten für den Täter oder das Opfer hat, an. Keine sexuellen Handlungen sind dagegen Verhaltensweisen, die nach ihrem äusseren Erscheinungsbild keinen unmittelbaren sexuellen Bezug aufweisen. Schwierigkeiten bietet die dritte Gruppe der sogenannten ambivalenten Handlungen, die weder äusserlich neutral noch eindeutig sexualbezogen erscheinen. Der Begriff der "sexuellen Handlung" erstreckt sich nur auf Verhaltensweisen, die im Hinblick auf das Rechtsgut erheblich sind. In Zweifelsfällen wird die Erheblichkeit relativ, etwa nach dem Alter des Opfers oder dem Altersunterschied zum Täter bestimmt (BGE 125 IV 58 E. 3b S. 62 f. mit Hinweisen). Das Merkmal der Erheblichkeit grenzt sozialadäquate Handlungen von solchen ab, die tatbestandsmässig sind. Bedeutsam für die Beurteilung sind hier qualitativ die Art und quantitativ die Intensität und Dauer einer Handlung, wobei die gesamten Begleitumstände zu berücksichtigen sind (Urteil 6S.355/2006 vom 7. Dezember 2006 E. 3.2, nicht publ. in: BGE 133 IV 31).
4.4 Was der Beschwerdeführer gegen die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung vorbringt, ist nicht rechtsgenügend begründet (Art. 106 Abs. 2 BGG). In rechtlicher Hinsicht gehen die erwiesenen Handlungen entgegen seiner Auffassung über ein übliches Spiel mit einem 11-jährigen Mädchen hinaus. Betreffend Art und Intensität der Berührungen stellt die Vorinstanz verbindlich fest (Art. 105 Abs. 1 BGG), dass der Beschwerdeführer trotz Gegenwehr von B._ nicht von ihr abgelassen hat. Weiter ist erstellt, dass er B._ mit voller Absicht und im Bewusstsein, dass es gegen ihren Willen geschah, berührte. Schliesslich berücksichtigt die Vorinstanz das Alter von B._, ihren Altersunterschied zum Beschwerdeführer sowie den Umstand, dass sich die Handlungen im Freibad ereignet haben. In Würdigung dieser Umstände sind die Handlungen des Beschwerdeführers als Eingriff in die sexuelle Integrität von B._ zu werten. Der Schuldspruch der sexuellen Handlungen mit einem Kind verletzt somit kein Bundesrecht.
5. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Anordnung der Verwahrung (Art. 64 Abs. 1 lit. b StGB). Die Vorinstanz begründet die Voraussetzungen insbesondere gestützt auf das psychiatrische Gutachten vom 30. Juli 2007. Der Beschwerdeführer bringt unter anderem vor, dieses beruhe auf der tatsächlichen Schuld an den angeklagten Taten, welche nicht erwiesen seien. Die Vorinstanz führt dazu aus, die psychiatrische Neueinschätzung vom 11. Mai 2009 behandle die Frage der Legalprognose unter der Hypothese, dass der Tatbestand der Vergewaltigung nicht erwiesen sei (angefochtenes Urteil E. VI 3a S. 33 f.). Trotzdem beziehen sich die vorinstanzlichen Erwägungen teilweise auf den Schuldspruch der Vergewaltigung. So weist die Vorinstanz beispielsweise darauf hin, dass in der Vergewaltigung eine Progredienz im Vergleich zu den früheren Sexualdelikten zum Ausdruck komme, was sich legalprognostisch ungünstig auswirke (angefochtenes Urteil E. VI 3d/aa S. 35 und E. 4c S. 37). Vorliegend ist deshalb die Frage der Verwahrung offen zu lassen. Die Vorinstanz wird sich bei der Neubeurteilung nochmals damit zu befassen haben (vgl. E. 2.7 hiervor).
6. Die Beschwerde ist teilweise gutzuheissen. Im Übrigen ist sie abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Soweit das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung nicht gegenstandslos ist, war es von vornherein aussichtslos (Art. 64 Abs. 1 BGG) und demnach abzuweisen. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer im Umfang seines Unterliegens kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Seinen angespannten finanziellen Verhältnissen ist bei der Bemessung der Gerichtskosten Rechnung zu tragen.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird teilweise gutgeheissen, das Urteil des Kantonsgerichts St. Gallen vom 3. Juni 2009 aufgehoben und die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückgewiesen. Im Übrigen wird die Beschwerde abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen, soweit es nicht gegenstandslos geworden ist.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Der Kanton St. Gallen hat den Vertreter des Beschwerdeführers, Rechtsanwalt Daniel Ehrenzeller, mit Fr. 1'500.-- zu entschädigen.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Kantonsgericht St. Gallen, Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 25. März 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Binz