Sachverhalt:
A. Die Staatsanwaltschaft Winterthur Unterland legt X._ in der Anklageschrift vom 2. Juni 2010 zur Last, er habe Y._ am 8. November 2009 um ca. 2.30 Uhr im Parkhaus des Bahnhofs Winterthur vergewaltigt. Zuvor habe er ihr zweimal Kokain zum Konsum angeboten. Mitte März 2010 habe er Y._ zum Rückzug der Anzeige bewegen wollen, indem er ihr in der Bar A._ in Winterthur einen bis zwei Finger Kokain offeriert habe. Über Dritte habe er ihr ausgerichtet, "es sei nicht mehr gut", falls sie nicht in diesen Vorschlag einwillige. Schliesslich habe er gegen das von den Strafverfolgungsbehörden verfügte Kontaktverbot zu Y._ verstossen.
B. Das Bezirksgericht Winterthur verurteilte X._ am 11. August 2010 wegen Vergewaltigung, versuchter Nötigung, mehrfachen Vergehens gegen das Betäubungsmittelgesetz und mehrfachen Ungehorsams gegen amtliche Verfügungen zu einer unbedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten und zu einer Busse von Fr. 500.--. Es widerrief den mit Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich vom 2. April 2007 gewährten teilbedingten Strafvollzug für die Freiheitsstrafe von 28 Monaten und erklärte den vormals bedingten Strafteil von 16 Monaten als vollziehbar.
Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 15. März 2011 vom Vorwurf der versuchten Nötigung frei. Im Übrigen bestätigte es die erstinstanzlichen Schuldsprüche, soweit sie nicht schon in Rechtskraft erwachsen waren, die Strafzumessung und den Widerruf der Vorstrafe.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei betreffend den Vorwurf der Vergewaltigung aufzuheben, und die Sache sei zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen, unter Kosten- und Entschädigungsfolgen. Es sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren.
Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen den Schuldspruch der Vergewaltigung. Er rügt, die Vorinstanz verstosse gegen die Unschuldsvermutung nach Art. 14 des internationalen Pakts über bürger-liche und politische Rechte vom 16. Dezember 1966 (IPBPR; SR 0.103.2), den Grundsatz des fairen Verfahrens nach Art. 6 EMRK und den Anspruch auf rechtliches Gehör nach Art. 29 Abs. 2 BV. Die Vorinstanz habe seine Beweisanträge, ein Gutachten zu den Knieverletzungen von Y._ (nachfolgend Beschwerdegegnerin genannt) einzuholen und die Originalfotos der Verletzungen sowie einen Bericht der Klinik Littenheid beizuziehen, zu Unrecht abgewiesen.
1.2 Nach Art. 29 Abs. 2 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK haben die Parteien Anspruch auf rechtliches Gehör. Dazu gehört unter anderem das Recht auf Abnahme der rechtzeitig und formrichtig angebotenen rechtserheblichen Beweismittel. Die Verfassungsgarantie steht einer vorweggenommenen Beweiswürdigung nicht entgegen. Dem Sachgericht bleibt unbenommen, von beantragten Beweiserhebungen abzusehen, weil es seine Überzeugung bereits aus anderen Beweisen gewonnen hat und deshalb annimmt, dass weitere Beweisabnahmen nichts daran zu ändern vermöchten (BGE 134 I 140 E. 5.3 S. 148 mit Hinweisen). Zudem hat jeder wegen einer strafbaren Handlung Angeklagte Anspruch darauf, bis zu dem im gesetzlichen Verfahren erbrachten Nachweis seiner Schuld als unschuldig zu gelten (Art. 14 Abs. 2 IPBPR).
2. 2.1 Im Einzelnen macht der Beschwerdeführer geltend, die Knieverletzungen der Beschwerdegegnerin liessen sich nicht mit ihren Aussagen vereinbaren. Daher müsse an ihrer Angabe, er habe sie vergewaltigt, gezweifelt werden. Ein Gutachten könne Aufschluss über den Tathergang sowie das Alter der Schürfwunden und Hämatome geben. Zudem seien die Fotokopien der Verletzungen von schlechter Qualität und stattdessen die Originalfotos beizuziehen. Mit diesen habe er ein Privatgutachten einholen wollen.
2.2 Die Schilderungen der Parteien stimmen insoweit überein, als es zu sexuellen Handlungen im Parkhaus gekommen ist. Der Beschwerdeführer behauptet, die Beschwerdegegnerin sei auf den Boden gekniet (angefochtenes Urteil S. 11) bzw. "auf den Boden gekommen" (angefochtenes Urteil S. 12), während sie angibt, er habe sie zu Boden geworfen (angefochtenes Urteil S. 15), und sie habe sich auf der Flucht weggedreht (angefochtenes Urteil S. 19). Die geringfügigen Schürfungen und Hämatome an den Knien der Beschwerdegegnerin lassen sich mit sämtlichen Schilderungen in Einklang bringen. Es braucht keine besonderen Fachkenntnisse, um zu wissen, dass sich jemand bei einem Sturz (Version der Beschwerdegegnerin), beim Knien oder Drehen auf einem Betonboden (Version des Beschwerdeführers) Schürfungen und Blutergüsse zuziehen kann. Insbesondere hat sich auch der Beschwerdeführer derartige Verletzungen zugezogen (angefochtenes Urteil S. 13). Entgegen seiner Auffassung ist ein Gutachten nicht geeignet, den Tathergang aufzuklären und den Vorwurf der Vergewaltigung zu beweisen oder zu widerlegen. Die Vorinstanz stellt für den Schuldspruch wegen Vergewaltigung nicht auf die Knieverletzungen der Beschwerdegegnerin, sondern auf eine umfassende Würdigung der Aussagen beider Verfahrensbeteiligter und weiterer Zeugen ab (angefochtenes Urteil S. 8 bis S. 21). Sie durfte auf ein Gutachten und den Beizug der Originalfotos in antizipierter Beweiswürdigung verzichten, ohne die vom Beschwerdeführer angerufenen Rechte zu verletzen.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, es sei nicht ausgeschlossen, dass ein Bericht der Klinik Littenheid Informationen zum Vorfall vom 8. November 2009 enthalte. Damit hätte die Glaubwürdigkeit der Beschwerdegegnerin und die Glaubhaftigkeit ihrer Aussagen überprüft werden können. Ebenso wären Angaben zum Kokainkonsum und der sich daraus ergebenden Beeinträchtigung der Aussagefähigkeit zu erwarten gewesen. Es sei willkürlich, den Beweisantrag mit Spekulationen über dessen Inhalt abzulehnen. Das Beweismittel sei nicht völlig ungeeignet, Widersprüche in den Aussagen der Beschwerdegegnerin zu klären.
3.2 Der allgemeinen Glaubwürdigkeit eines Zeugen im Sinne einer dauerhaften personalen Eigenschaft kommt kaum mehr relevante Bedeutung zu. Weitaus bedeutender für die Wahrheitsfindung als die allgemeine Glaubwürdigkeit ist die Glaubhaftigkeit der konkreten Aussage, welche durch methodische Analyse ihres Inhalts darauf überprüft wird, ob die auf ein bestimmtes Geschehen bezogenen Angaben einem tatsächlichen Erleben des Zeugen entspringen (BGE 133 I 33 E. 4.3 S. 45 mit Hinweisen). Gegenstand des vom Beschwerdeführer beantragten Berichts ist der Behandlungsverlauf und der Zustand der Beschwerdegegnerin bei Austritt aus der Klinik. Der Austrittsbericht eignet sich nicht, die generelle Glaubwürdigkeit der Beschwerdegegnerin als Person, welche für den Wahrheitsgehalt ihrer Aussagen ohnehin nicht entscheidend ist, infrage zu stellen.
3.3 Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers kann aus dem beantragten Bericht nichts zur Glaubhaftigkeit der Aussagen abgeleitet werden, da er nicht auf eine umfassende Darstellung des Tatgeschehens abzielt. Eine Aussageanalyse lässt sich nur anhand der direkten wörtlichen Schilderung der Beschwerdegegnerin vornehmen (vgl. BENDER/NACK/TREUER, Tatsachenfeststellung vor Gericht, 3. Aufl. 2007, N. 258, wonach eine wortwörtliche Protokollierung der Aussage für die Analyse entscheidend ist), welche unter Einhaltung der strafprozessualen Regeln (z.B. Verbot von Suggestivfragen, Belehrung als Zeugin) erfolgen muss. Angaben Dritter, welche oftmals eine Interpretation enthalten, reichen dazu nicht aus.
3.4 Es ist nicht ersichtlich, wieweit sich der Kokainkonsum der Beschwerdegegnerin auf ihre Fähigkeit ausgewirkt haben sollte, wahrheitsgemässe Angaben zu machen. Jedenfalls war sie am folgenden Tag in der Lage, gegenüber den Ermittlungsbehörden detaillierte Angaben zu den Geschehnissen zu machen, welche der Beschwerdeführer grösstenteils bestätigt (angefochtenes Urteil S. 15 mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil S. 7). Dieser macht auch nicht geltend, die Vorinstanz hätte ein Gutachten zur Wahrnehmungs- und Äusserungsfähigkeit der Beschwerdegegnerin anordnen sollen. Insgesamt durfte die Vorinstanz in antizipierter Beweiswürdigung auf Einholung des Austrittsberichts der Klinik Littenheid verzichten, ohne die Verfahrensrechte des Beschwerdeführers zu verletzen.
4. Nicht einzutreten ist auf die Rügen des Beschwerdeführers, soweit er die vorinstanzliche Beweiswürdigung kritisiert (Beschwerde S. 24 bis S. 26), ohne Willkür in der Sachverhaltsfeststellung näher zu begründen (vgl. zu den Begründungsanforderungen 136 I 65 E. 1.3.1 S. 68 mit Hinweisen). Dies gilt für seine Vorbringen, die Beschwerdegegnerin hätte den einvernehmlichen Geschlechtsverkehr in der Bar B._ nur zögerlich gestanden; es sei nicht möglich, dass er mit Finger und Penis in sie eingedrungen sei und ihr gleichzeitig den Mund zugehalten habe; sie schildere den Tatablauf unterschiedlich; eine Vergewaltigung könne nicht innert weniger Minuten stattfinden; die Begründung der Beschwerdegegnerin, weshalb sie mit ins Parkhaus gekommen sei, überzeuge nicht; sie habe bereits früher Vergewaltigungsvorwürfe gegen andere Personen erhoben. Er setzt sich in diesen Punkten nicht mit dem angefochtenen Urteil auseinander (vgl. angefochtenes Urteil S. 16 bis S. 20 mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil S. 7 ff.) und zeigt nicht auf, weshalb seine Argumente das Beweisergebnis als solches umstossen sollten.
5. 5.1 Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die der Beschwerdegegnerin zugesprochene Genugtuung von Fr. 10'000.--. Es sei unbelegt, dass die Beschwerdegegnerin in psychiatrischer Behandlung gewesen sei und noch längere Zeit unter dem Geschehen zu leiden habe. Auf den Beizug eines Berichts der Klinik Littenheid habe zur Beurteilung des Genugtuungsanspruches nicht verzichtet werden dürfen. Es sei willkürlich, dass die Vorinstanz ihren Entscheid nicht auf hinreichende Belege abstütze. Sie habe die Schwere der Persönlichkeitsverletzung nicht genau geprüft und gewürdigt. Der Kausalzusammenhang zwischen der Persönlichkeitsverletzung und der Tathandlung sei nicht erwiesen.
5.2 Wer in seiner Persönlichkeit widerrechtlich verletzt wird, hat Anspruch auf Leistung einer Geldsumme, sofern die Schwere der Verletzung es rechtfertigt und diese nicht anders wiedergutgemacht worden ist (Art. 49 Abs. 1 OR). Die Genugtuung bezweckt den Ausgleich für erlittene immaterielle Unbill bzw. erlittenes Unrecht. Bemessungskriterien sind, wie bei der Genugtuung für Körperverletzung und Tötung nach Art. 47 OR, die Art und Schwere der Verletzung, die Intensität und Dauer der Auswirkungen auf die Persönlichkeit des Betroffenen, der Grad des Verschuldens des Haftpflichtigen, ein allfälliges Selbstverschulden des Geschädigten sowie die Aussicht auf Linderung des Schmerzes durch die Zahlung eines Geldbetrags (BGE 132 II 117 E. 2.2.2 S. 119 mit Hinweisen). Dem kantonalen Richter steht bei der Festsetzung der Höhe der Genugtuung ein weiter Ermessensspielraum zu (Art. 4 ZGB). Das Bundesgericht schreitet nur ein, wenn der Sachrichter grundlos von den in Lehre und Rechtsprechung ermittelten Bemessungsgrundsätzen abgewichen ist, wenn er Tatsachen berücksichtigt hat, die für den Entscheid im Einzelfall keine Rolle spielen, oder wenn er andererseits Umstände ausser Betracht gelassen hat, die er in seinen Entscheid hätte mit einbeziehen müssen. Es greift ausserdem ein, wenn die zugesprochene Genugtuung offensichtlich unbillig bzw. in stossender Weise ungerecht ist (BGE 132 II 117 E. 2.2.5 S. 121 mit Hinweis).
5.3 Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers ergibt sich aus den vorinstanzlichen Feststellungen zur Tathandlung und zu den Umständen der Anzeigeerstattung, dass die Beschwerdegegnerin von den Ereignissen des Tatabends traumatisiert war. Sie betrat in aufgelöstem Zustand den Lift des Parkhauses, wo die Vergewaltigung stattgefunden hatte (angefochtenes Urteil S. 18 f.). Ihre Verfassung war unmittelbar nach der Tat derart offenkundig schlecht, dass Dritte die Polizei herbeiriefen (angefochtenes Urteil S. 8). Deshalb sowie wegen der Art der Tathandlungen ist es plausibel, dass sich die Beschwerdegegnerin in psychiatrische Behandlung begeben musste. Was genau Gegenstand dieser Behandlung ist, spielt unter den gegebenen Umständen keine Rolle. Die Vorinstanz durfte die seelische Unbill und den Kausalzusammenhang ohne den Bericht der Klinik bejahen. Die Höhe der Genugtuungssumme von Fr. 10'000.-- erscheint durch die gravierenden objektiven Umstände der Tathandlung gerechtfertigt und hält vor Bundesrecht stand (vgl. Urteil 6P.74/2004 vom 14. Dezember 2004 E. 11.2).
6. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist ebenfalls abzuweisen, da die Beschwerde aussichtslos war (Art. 64 Abs. 1 BGG). Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Seine angespannte finanzielle Situation ist bei der Bemessung der Gerichtskosten angemessen zu berücksichtigen.
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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 10. Oktober 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Koch