Sachverhalt:
A. In dem seit 17. Juli 2007 hängigen Scheidungsverfahren entzog das Bezirksgericht Hinwil Y._ (Ehefrau) mit Verfügung vom 19. Oktober 2007 die Obhut über die beiden Kinder R._ (geboren 1994) und S._ (geboren 1998) und teilte diese X._ (Ehemann) zu. Einem allfälligen Rekurs wurde die aufschiebende Wirkung entzogen.
B. Y._ gelangte gegen die erstinstanzliche Verfügung an das Obergericht des Kantons Zürich und verlangte die Obhut über die beiden Kinder. Mit Präsidialverfügung vom 6. November 2007 wurde dem Rekurs die aufschiebende Wirkung hinsichtlich der Obhut über die Tochter S._ wieder erteilt. Zudem wurde das Besuchsrecht gegenüber beiden Kindern für die Dauer des Verfahrens neu festgelegt. Das Bezirksgericht Hinwil wurde aufgefordert, innert 10 Tagen darzutun, ob es sich bei seiner Verfügung um eine vorsorgliche Massnahme oder um eine einstweilige Anordnung innerhalb des vorsorglichen Massnahmeverfahrens handle.
C. X._ (nachfolgend: Beschwerdeführer) ist mit Beschwerde in Zivilsachen vom 7. November/7. Dezember 2007 an das Bundesgericht gelangt. Er beantragt die Aufhebung der obergerichtlichen Präsidialverfügung vom 6. November 2007. Mit Verfügung vom 13. November 2007 erteilte der Präsident der II. zivilrechtlichen Abteilung der Beschwerde aufschiebende Wirkung. Die Akten des Obergerichts sind um die in der angefochtenen Verfügung verlangte Stellungnahme des Bezirksgerichts Hinwil zur Rechtsnatur seiner Verfügung vervollständigt worden, wozu sich die Parteien haben äussern können.
In der Sache sind keine Vernehmlassungen eingeholt worden.
Erwägungen:
1. 1.1 Angefochten ist eine Verfügung über die Erteilung der aufschiebenden Wirkung in einem kantonalen Rechtsmittelverfahren betreffend die Obhut über zwei Kinder während der Dauer des Scheidungsverfahrens. Dabei handelt es sich um eine vorsorgliche Massnahme in einer Zivilsache ohne Vermögenswert (Art. 72 Abs. 1 BGG). Die Beschwerde in Zivilsachen ist daher grundsätzlich gegeben, indes kann einzig die Verletzung verfassungsmässiger Rechte gerügt werden (Art. 98 BGG).
1.2 Bei dieser prozessleitenden Anordnung handelt es sich um einen selbständig eröffneten Zwischenentscheid, der nur angefochten werden kann, sofern er einen nicht wieder gutzumachenden Nachteil bewirken könnte. Ein solcher muss zudem rechtlicher Natur sein (Art. 93 Abs. 1 lit. a BGG; BGE 133 III 629 E. 2.3.1; zur Publikation bestimmtes Urteil 4A_221/2007 vom 20. November 2007, E. 3.1). Der im vorliegenden Fall angefochtene Zwischenentscheid bewirkt, dass der Beschwerdeführer vorübergehend keine Obhut über seine Tochter hat. Ob dieser Umstand einen Nachteil im genannten Sinn darstellt, kann letztlich offen bleiben, da der Beschwerde aus einem andern Grund kein Erfolg beschieden ist.
1.3 Indes kann das Bundesgericht erst nach Ausschöpfung des kantonalen Instanzenzugs angerufen werden (Art. 75 Abs. 1 BGG). Gemäss der bezirksgerichtlichen Stellungnahme vom 8. November 2007 handelt er sich bei der erstinstanzlichen Verfügung um eine vorsorgliche Massnahme im Scheidungsverfahren. Dagegen stand der Rekurs gemäss § 271 Ziff. 4 ZPO/ZH an das Obergericht offen, wovon die Beschwerdegegnerin denn auch Gebrauch gemacht hatte (Frank/ Sträuli/Messmer, Kommentar zur zürcherischen Zivilprozessordnung, 3. Aufl. 1997, N. 30 zu § 271 ZPO). Gegen Rekursentscheide betreffend vorsorgliche Massnahmen ist die Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht nicht gegeben (§ 284 Ziff. 7 ZPO/ZH). Die angefochtene Verfügung erweist sich damit als letztinstanzlich.
2. Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz die Verletzung des rechtlichen Gehörs vor, da er vor Erlass der angefochtenen Verfügung sich nicht habe äussern können.
2.1 Gemäss Art. 29 Abs. 2 BV haben die Parteien Anspruch auf rechtliches Gehör. Daraus folgt insbesondere das Recht des Betroffenen, sich vor Erlass eines in seine Rechtsstellung eingreifenden Entscheides zur Sache äussern zu können (BGE 127 I 54 E. 2b; 133 I 270 E. 3.1).
2.2 Zwar trifft zu, dass dem Beschwerdeführer keine Frist zur Einreichung einer schriftlichen Stellungnahme angesetzt worden war, bevor der Präsident dem Rekurs der Beschwerdegegnerin teilweise aufschiebende Wirkung erteilte. Indes fand am 2. November 2007 in dieser Frage eine Referentenaudienz statt. Der Beschwerdeführer bringt nicht vor, er habe sich bei dieser Gelegenheit zum prozessualen Antrag um aufschiebende Wirkung nicht äussern können oder durch den Umstand, dass sein Anwalt ihn nicht begleiten wollte, sei er ungenügend vertreten gewesen. Von einer Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör kann somit nicht die Rede sein. Es besteht auch kein Anlass, allfällige, an der Referentenaudienz nicht vorgebrachte Argumente, nunmehr dem Bundesgericht vorzutragen. Die hier erhobene Rüge grenzt an Mutwilligkeit.
3. Im Weiteren macht der Beschwerdeführer geltend, der Grundsatz der Rechtsweggarantie und der Anspruch auf einen verfassungsmässigen Richter seien verletzt, da die angefochtene Verfügung offenbar ohne die Mitwirkung eines Richters ergangen sei.
3.1 Gemäss Art. 29a BV hat jede Person bei Rechtsstreitigkeiten Anspruch auf die Beurteilung durch eine richterliche Behörde. Wird eine Sache in einem gerichtlichen Verfahren beurteilt, so hat dies nach Art. 30 Abs. 1 BV von einem durch das Gesetz geschaffenen, unabhängigen und unparteiischen Gericht zu geschehen.
3.2 Inwieweit die Rechtsgarantie vorliegend verletzt sein sollte, ist nicht nachvollziehbar. Immerhin ist die angefochtene Verfügung von einem kantonalen Gericht erlassen worden. Der Anspruch auf einen verfassungsmässigen Richter, welchen der Beschwerdeführer im gleichen Zusammenhang anruft, ist nicht bereits dadurch verletzt, weil ein juristischer Sekretär den Entscheid unterzeichnet hat. Die Unterschriftenregelung ist eine Frage des jeweiligen Verfahrensrechts und hat mit der Beurteilung der Streitsache durch den verfassungsmässigen Richter nichts zu tun. Dass überdies kantonales Recht vorliegend willkürlich angewendet worden wäre, wird nicht gerügt.
4. In der Sache macht der Beschwerdeführer die Verletzung einer Reihe von Verfassungs- und Konventionsbestimmungen geltend (Art. 8, 9, 10, 11, 13, 14 BV Art. 8 und 6 EMRK). Im Wesentlichen kritisiert er, dass durch die Anordnung der Vorinstanz die Geschwister getrennt würden, die Beschwerdegegnerin zudem nicht erziehungsfähig sei und in unstabilen Verhältnissen lebe, weshalb das Kindeswohl gefährdet sei.
4.1 Die Vorinstanz verneinte im Gegensatz zur Erstinstanz die zeitliche Dringlichkeit, der Beschwerdegegnerin die Obhut über ihre Kinder zu entziehen. Entgegen der Darstellung in der angefochtenen Verfügung lebe diese nach wie vor in ihrer bisherigen Wohnung und könne einstweilen dort bleiben. Zudem bestehe keine Gefahr, dass die Beschwerdegegnerin in nächster Zeit nach Brasilien auswandere, da die Pässe der Kinder von der Vormundschaftsbehörde verwahrt würden. Auch ergebe sich nicht aus den Akten und werde nicht behauptet, dass in der Wohnung die lebensnotwendigen Einrichtungsgegenstände fehlten. Im Hinblick auf die Erziehungsfähigkeit der Beschwerdegegnerin gebe es Indizien in beide Richtungen, weshalb diese Frage im Scheidungsverfahren eingehend geprüft werden müsse. Alsdann erstellte die Vorinstanz in Anbetracht der im Anschluss an die erstinstanzliche Verfügung bereits erfolgte Umplatzierung der Kinder zur Mutter eine Prognose in der Hauptsache. Sie kam zum Schluss, dass der Sohn R._ entsprechend den Anträgen beider Parteien nach der Scheidung beim Beschwerdeführer leben werde. In Bezug auf die Tochter S._ erweise sich die Beurteilung der elterlichen Sorge im Moment noch als offen. Zwar könne dem Beschwerdeführer die Erziehungsfähigkeit attestiert werden und bei der Beschwerdegegnerin stehe diese noch nicht fest, sei aber im jetzigen Zeitpunkt nicht bereits auszuschliessen. In diesem Zusammenhang müsse auch in Betracht gezogen werden, dass dem Beschwerdeführer eine persönliche Betreuung seiner Tochter nicht möglich sei. Zudem erscheine eine Auswanderung der Beschwerdegegnerin mit S._ nach Brasilien mit deren Wohl nicht ohne weiteres vereinbar. Insgesamt lasse sich mit Blick auf die strittige elterliche Sorge über die Tochter S._ über den Ausgang des Scheidungsverfahrens keine zuverlässige Prognose abgeben. Zwar würden in der Regel bei der Obhutszuteilung die Geschwister möglichst nicht getrennt. Dieser Grundsatz gelte indes nicht absolut, und im vorliegenden Fall seien die Kinder selber mit einer Trennung einverstanden. Daher werde die Wiedererteilung der aufschiebenden Wirkung auf die Obhut über S._ beschränkt.
4.2 Gemäss den gesetzlichen Begründungsanforderungen hat der Beschwerdeführer klar und einlässlich anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheides darzulegen, inwiefern verfassungsmässige Recht verletzt worden sind (BGE 133 III 393 E. 6). Wird eine willkürliche Anwendung von Bundesrecht oder kantonalem Recht gerügt, ist aufzuzeigen, inwiefern der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar sei, eine Norm oder einen unumstrittenen Rechtsgrundsatz krass verletzen oder sonstwie in stossender Weise dem Gerechtigkeitsgedanken zuwiderlaufen soll (BGE 133 I 149 E. 3.1). Auf rein appellatorische Kritik wird nicht eingetreten (BGE 130 I 258 E. 1.3). Soweit der Beschwerdeführer in allgemeiner Weise die Vorinstanz kritisiert, ohne auf die konkrete Begründung der angefochtenen Verfügung einzugehen, sind seine Vorbringen nicht zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere für seine Ausführungen zur Trennung der Geschwister, mit welchen er über das von der Vorinstanz festgestellte Einverständnis der beiden hinweggeht. Soweit der Beschwerdeführer zudem die Erziehungsfähigkeit seiner Ehefrau in Frage stellt und ihre unsteten Wohn- und Lebensverhältnisse anprangert, beschränkt er sich im Wesentlichen darauf, die diesbezüglichen Feststellungen der Vorinstanz zu bestreiten und dem Bundesgericht seine eigene Sicht der Dinge darzulegen. Insgesamt scheint der Beschwerdeführer überdies auszublenden, dass die Vorinstanz nicht einen Entscheid in der Sache gefällt hat, sondern lediglich über eine vorläufige Regelung der Obhut über die beiden Kinder der Prozessparteien befinden musste.
5. Nach dem Gesagten ist der Beschwerde insgesamt kein Erfolg beschieden. Ausgangsgemäss werden die Kosten dem Beschwerdeführer auferlegt, der die Beschwerdegegnerin für ihre Vernehmlassung zum Gesuch um aufschiebende Wirkung für das vorliegende Verfahren und zu der von Amtes wegen beigezogenen Stellungnahme der Erstinstanz zu entschädigen hat (Art. 66 Abs. 1 und Art. 68 Abs. 1 BGG). Das Gesuch der Beschwerdegegnerin um unentgeltliche Rechtspflege wird damit gegenstandslos. Die Begehren des Beschwerdeführers erwiesen sich von vornherein als aussichtslos, womit sein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege abzuweisen ist (Art. 64 Abs. 1 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch des Beschwerdeführers um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Das Gesuch der Beschwerdegegnerin um unentgeltliche Rechtspflege wird als gegenstandslos abgeschrieben.
4. Die Gerichtskosten von Fr. 1'500.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
5. Der Beschwerdeführer hat die Beschwerdegegnerin für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 800.-- zu entschädigen.
6. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 5. Februar 2008
Im Namen der II. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Raselli Zbinden