Sachverhalt:
A. A.a Das Amtsgericht Solothurn-Lebern verurteilte X._ am 13. Mai 2008 wegen mehrfacher Vergewaltigung zum Nachteil von A._, mehrfacher Förderung der Prostitution, teilweise gemeinsam begangen mit Y._, R._ und S._, mehrfachen Erleichterns des rechtswidrigen Aufenthalts mit Bereicherungsabsicht und mehrfacher Beschäftigung von Ausländern ohne Bewilligung zu einer bedingten Freiheitsstrafe von 3 1⁄2 Jahren, einer Geldstrafe von 21 Tagessätzen zu Fr. 30.-- und einer Busse von Fr. 180.--. Zudem widerrief es die mit Verfügung des Departements des Innern am 25. November 2005 gewährte bedingte Entlassung von X._ aus dem Strafvollzug für eine Reststrafe von 235 Tagen. Von den Vorwürfen des mehrfachen und gewerbsmässigen Menschenhandels sowie in weiteren Anklagepunkten sprach es ihn frei. X._ und die Staatsanwaltschaft appellierten gegen dieses Urteil.
A.b Das Obergericht des Kantons Solothurn sprach X._ am 7. September 2009 wegen Menschenhandels hinsichtlich B._ und C._, gemeinsam begangen mit Y._, sowie, in Bestätigung des erstinstanzlichen Urteils, wegen mehrfacher Vergewaltigung und mehrfacher Förderung der Prostitution schuldig. Vom Vorwurf des (gewerbsmässigen) Menschenhandels, evtl. des versuchten Menschenhandels hinsichtlich weiterer Personen sprach es ihn frei. Die übrigen Schuld- bzw. Freisprüche erwuchsen unangefochten in Rechtskraft. Das Obergericht verurteilte X._ zu einer Freiheitsstrafe von 4 1⁄2 Jahren, einer Geldstrafe von 30 Tagessätzen zu Fr. 20.-- und einer Busse von Fr. 400.--. Es bestätigte den Widerruf der bedingten Entlassung aus dem Strafvollzug für die Reststrafe von 235 Tagen.
B. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, ihn vom Vorwurf des Menschenhandels und der mehrfachen Vergewaltigung freizusprechen und die Angelegenheit zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
C. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.
Erwägungen:
1. Die Vorinstanz hält folgenden Sachverhalt für erwiesen (angefochtener Entscheid S. 15 f., 30 ff. und 44 ff.):
Der Beschwerdeführer, Y._ und R._ führten ab Sommer 2004 zusammen die Kontaktbar K._ in L._, wobei Letzterer eine eher untergeordnete Rolle spielte. T._ betrieb das Hotel H._ in M._, welches ebenfalls Prostituierte, darunter die Rumäninnen B._ und C._, beschäftigte. U._ und V._ führten B._ und C._ im Auftrag von T._ vom 19.-22. Januar 2007 jeden Abend von ihrer Absteige im Hotel I._ in Biel ins K._ nach L._, wo sich diese zu den dort geltenden Bedingungen prostituierten. Die "Lieferung" der Frauen beruhte auf einer Abrede der Betreiber des K._ und des Hotels H._. Die Beteiligten entschieden über die Köpfe der betroffenen Frauen hinweg, dass diese zur Ausübung der Prostitution ins K._ verbracht werden sollten. B._ und C._ wurden von U._ in die Schweiz gebracht und mussten T._ einen Teil ihres Verdienstes abgeben. Sie waren in einer Situation der Verletzlichkeit, da sie als illegale Aufenthalterinnen in der Schweiz ohne persönliche Bekannte und ohne Kenntnis der Sprache der Gruppe um T._ völlig ausgeliefert, mithin von ihr sozial abhängig waren. Eine wirksame Zustimmung zur Prostitution im K._ lag daher nicht vor. Der Beschwerdeführer war zumindest gleichberechtigter Mitinitiant und Mitbetreiber des K._. Er wusste von der Anlieferung der Frauen, die T._ gerade nicht benötigte, und kannte die Hintergründe. Er wirkte am Tatentschluss und an der Planung massgeblich mit und profitierte davon auch finanziell.
Der Beschwerdeführer zwang seine ehemalige Freundin A._, nachdem sich diese von ihm getrennt hatte, zudem zwei Mal gegen deren Willen zum sexuellen Verkehr, das erste Mal in ihrer Wohnung in O._, das zweite Mal im K._.
2. Die Beschwerde ist zu begründen (Art. 42 Abs. 1 BGG). In der Begründung ist in gedrängter Form darzulegen, inwiefern der angefochtene Akt Recht verletzt (Art. 42 Abs. 2 Satz 1 BGG). Eine qualifizierte Rügepflicht gilt hinsichtlich der Verletzung von Grundrechten und von kantonalem und interkantonalem Recht (Art. 106 Abs. 2 BGG).
Nicht einzutreten ist auf die Rüge, die in Tschechien rechtshilfeweise erfolgten Einvernahmen von A._ und D._, anlässlich welcher auch der Verteidiger des Beschwerdeführers anwesend war, seien nicht verwertbar (Beschwerde Ziff. 3 und 4). Der Beschwerdeführer bringt vor, eine rechtsgenügliche Verteidigung sei anlässlich der Einvernahmen nicht möglich gewesen. Ob und inwiefern dabei Bundesrecht oder die von der Bundesverfassung und der EMRK garantierten Verteidigungsrechte verletzt wurden, legt er nicht dar. Die Beschwerde genügt den Begründungsanforderungen nicht. Dies gilt auch, soweit der Beschwerdeführer geltend macht, der Hinweis der Vorinstanz auf Art. 5 aOHG sei unverständlich.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer macht in Bezug auf die Verurteilung wegen mehrfacher Vergewaltigung eine Verletzung des Grundsatzes in dubio pro reo geltend. Er argumentiert im Wesentlichen, die Vorinstanz erachte seine Darstellungen generell als unglaubwürdig und die von A._ und deren Cousine D._ als glaubwürdig, was angesichts der Möglichkeit zur Absprache zwischen den beiden Frauen nicht erstaune. Dabei lasse sie völlig ausser Acht, dass zwischen ihm und A._ erwiesenermassen eine problematische Beziehung bestanden habe, in der Eifersucht im Spiel gewesen sei. A._ habe ihm auch gedroht, wovon Dritte Kenntnis gehabt hätten. Zweifel an deren Sachdarstellung könnten daher schlechterdings nicht unterdrückt werden. Sowohl die anonyme Zeugin als auch D._ hätten ihn regelrecht dämonisiert (Beschwerde Ziff. 5 und 6).
3.2 Die Feststellung des Sachverhalts kann nur gerügt werden, wenn sie willkürlich im Sinne von Art. 9 BV 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. 2 BGG; BGE 134 IV 36 E. 1.4.1). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerdeschrift anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 134 II 244 E. 2.2).
Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (BGE 134 I 140 E. 5.4 mit Hinweisen). Dem Grundsatz in dubio pro reo kommt als Beweiswürdigungsregel keine über das Willkürverbot von Art. 9 BV hinausgehende selbständige Bedeutung zu (BGE 127 I 38 E. 2a; 124 IV 86 E. 2a; je mit Hinweisen).
3.3 Was der Beschwerdeführer gegen die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung vorbringt, erschöpft sich in einer unzulässigen appellatorischen Kritik. Auch bei der geltend gemachten Beziehungsproblematik ist es unter Willkürgesichtspunkten nicht zu beanstanden, wenn der angefochtene Entscheid auf die Aussagen des Opfers und deren Cousine abstellt. Dass die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung offensichtlich falsch und damit willkürlich sein soll, behauptet der Beschwerdeführer nicht. Auf die Beschwerde ist auch insofern nicht einzutreten.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer rügt eine bundesrechtswidrige Anwendung von Art. 182 StGB. B._ und C._ seien in die Schweiz gekommen, um sich hier zu prostituieren, wobei Erstere zuvor bereits in Spanien als Prostituierte gearbeitet habe. Ein rechtsgenügliches Abhängigkeitsverhältnis habe nicht bestanden, da auch die Vorinstanz nicht davon ausgehe, die beiden Frauen hätten auf Anweisung von T._ gehandelt und seien diesem etwa durch das Einbehalten der Pässe oder gar durch Einwirkung mit Gewalt ausgeliefert gewesen. Die Einwilligung in die Prostitution habe daher bereits bestanden, bevor die Frauen mit T._ zu tun gehabt hätten (Beschwerde Ziff. 7 und 8). Ihm selber könne kein konkreter Tatbeitrag bei der Abwicklung des Frauenhandels nachgewiesen werden. Völlig offen sei, weshalb die Vorinstanz zur Auffassung gelange, er habe von der Anlieferung der Frauen gewusst. Entsprechend könne ihm auch kein Tatentschluss vorgeworfen werden (Beschwerde Ziff. 9).
4. 4.1 Der Beschwerdeführer rügt eine bundesrechtswidrige Anwendung von Art. 182 StGB. B._ und C._ seien in die Schweiz gekommen, um sich hier zu prostituieren, wobei Erstere zuvor bereits in Spanien als Prostituierte gearbeitet habe. Ein rechtsgenügliches Abhängigkeitsverhältnis habe nicht bestanden, da auch die Vorinstanz nicht davon ausgehe, die beiden Frauen hätten auf Anweisung von T._ gehandelt und seien diesem etwa durch das Einbehalten der Pässe oder gar durch Einwirkung mit Gewalt ausgeliefert gewesen. Die Einwilligung in die Prostitution habe daher bereits bestanden, bevor die Frauen mit T._ zu tun gehabt hätten (Beschwerde Ziff. 7 und 8). Ihm selber könne kein konkreter Tatbeitrag bei der Abwicklung des Frauenhandels nachgewiesen werden. Völlig offen sei, weshalb die Vorinstanz zur Auffassung gelange, er habe von der Anlieferung der Frauen gewusst. Entsprechend könne ihm auch kein Tatentschluss vorgeworfen werden (Beschwerde Ziff. 9).
4.2 4.2.1 Des Menschenhandels macht sich u.a. strafbar, wer als Anbieter, Vermittler oder Abnehmer mit einem Menschen Handel treibt zum Zwecke der sexuellen Ausbeutung (Art. 182 Abs. 1 Satz 1 StGB). Die am 1. Dezember 2006 in Kraft getretene neue Strafbestimmung über den Menschenhandel von Art. 182 StGB erfuhr im Vergleich zu Art. 196 aStGB insofern eine Erweiterung, als nunmehr auch andere Formen des Handels mit Menschen als diejenige zur sexuellen Ausbeutung in der Prostitution unter Strafe gestellt werden. Im Bereich der hier zu beurteilenden Ausnützung sexueller Handlungen hat die Revision materiell keine Änderung gebracht (Urteil des Bundesgerichts 6B_277/2007 vom 8. Januar 2008 E. 4.2). Die zu Art. 196 aStGB ergangene Rechtsprechung behält daher auch unter dem neuen Recht ihre Gültigkeit.
4.2.2 Ein Schuldspruch wegen Menschenhandels setzt voraus, dass die betroffene Person in ihrem sexuellen Selbstbestimmungsrecht verletzt wurde. Die in Kenntnis der konkreten Sachlage erfolgte und ihrem tatsächlichen Willen entsprechende Zustimmung der betroffenen Person schliesst den Tatbestand aus. Ob diese im Einzelfall selbstbestimmt gehandelt hat, ist an Hand der konkreten Umstände zu beurteilen. Das faktische "Einverständnis" allein ist nicht massgebend, weil die Tathandlung auch nur formal mit dem Willen der Betroffenen erfolgt sein kann (BGE 129 IV 81 E. 3.1). Vielmehr ist zu prüfen, ob die Willensäusserung dem tatsächlichen Willen entsprach (BGE 126 IV 225 E. 1d)
Nach der Rechtsprechung ist der Tatbestand des Menschenhandels in der Regel erfüllt, wenn junge, aus dem Ausland kommende Frauen unter Ausnützung einer Situation der Verletzlichkeit zur Ausübung der Prostitution in der Schweiz engagiert werden. Diese besondere Situation kann in schwierigen wirtschaftlichen oder sozialen Umständen oder in einschränkenden persönlichen und/oder finanziellen Abhängigkeiten bestehen. Eine "Einwilligung" in die Tätigkeit als Prostituierte und in die (illegale) Überführung in die Schweiz ist nicht wirksam, wenn sie auf derartige Umstände der Betroffenen im Herkunftsland zurückzuführen ist. Bei dieser Sachlage verfügt die betroffene Person nicht über die erforderliche Entscheidungsfreiheit (BGE 129 IV 81 E. 3.1; 128 IV 117 E. 4a-c; je mit Hinweisen). Der Tatbestand des Menschenhandels ist auch anwendbar, wenn der Täter im Ausland Prostituierte für seine eigenen Bordelle in der Schweiz anwirbt und verpflichtet (BGE 129 IV 81 E. 3.1; 128 IV 117 E. 6d). Menschenhandel kann auch bei der Vermittlung von einem Etablissement in ein anderes vorliegen, dies insbesondere wenn Prostituierte mit illegalem Aufenthalt in der Schweiz in persönlicher und finanzieller Hinsicht von Zuhältern, Bordell- und Salonbetreibern abhängig sind, welche die Vermittlung unter Ausnutzung dieses Abhängigkeitsverhältnisses bewerkstelligen (BGE 129 IV 81 E. 3.1; 126 IV 225 E. 1d).
4.2.3 Mittäter ist, wer bei der Entschliessung, Planung oder Ausführung eines Delikts vorsätzlich und in massgebender Weise mit anderen Tätern zusammenwirkt, so dass er als Hauptbeteiligter dasteht. Tatbestandsmässige Ausführungshandlungen sind keine notwendige Voraussetzung für die Annahme von Mittäterschaft. In subjektiver Hinsicht setzt Mittäterschaft einen gemeinsamen Tatentschluss voraus, welcher auch konkludent zum Ausdruck kommen kann (BGE 135 IV 152 E. 2.3.1; 130 IV 58 E. 9.2.1).
4.3 Die Betreiber des K._ und des Hotels H._ beschlossen, über die Köpfe der betroffenen Frauen hinweg, dass diese zur Ausübung der Prostitution ins K._ verbracht werden sollten. B._ und C._ wurden von Schleppern in die Schweiz gebracht, um im Hotel H._ als Prostituierte zu arbeiten. Dort bzw. im Hotel I._, einer Absteige für Frauen, die sich mehrheitlich im Hotel H._ prostituierten, wurden sie auch untergebracht. Sie befanden sich erst seit sehr kurzer Zeit in der Schweiz und waren der Gruppe um T._, insbesondere auch aufgrund ihres illegalen Aufenthaltsstatus, ausgeliefert. Es war ihnen daher nicht möglich, frei über ihre Prostitutionstätigkeit zu bestimmen. Eine mögliche Einwilligung zur Prostitution im K._ ist folglich unbeachtlich. Für die Bejahung eines Abhängigkeitsverhältnisses im Sinne der bundesgerichtlichen Rechtsprechung nicht zwingend ist, dass die Täter die Frauen auch durch Abnahme der Ausweispapier oder physische Gewalt gefügig machten (BGE 126 IV 225 E. 1d). Der Beschwerdeführer wusste als Mitbetreiber des K._ von der Anlieferung der Frauen und über deren Hintergründe. Er wirkte am Tatenschluss und an der Planung massgeblich mit und profitierte davon auch finanziell. Er erfüllte damit als Mittäter objektiv und subjektiv den Tatbestand des Menschenhandels von Art. 182 Abs. 1 Satz 1 StGB. Soweit dieser geltend macht, er habe von der Anlieferung der Frauen keine Kenntnis gehabt, legt er seiner rechtlichen Würdigung von der verbindlichen Sachverhaltsfeststellung abweichende Tatsachenbehauptungen zugrunde, was nicht zulässig ist (vgl. Art. 105 Abs. 1 BGG). Unerheblich ist, ob B._ bereits zuvor als Prostituierte gearbeitet hatte, da die Einwilligung in die Prostitution gültig in Bezug auf die jeweils konkrete Situation erfolgen muss. Der Schuldspruch wegen Menschenhandels ist nicht bundesrechtswidrig.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist infolge Aussichtslosigkeit der Beschwerde abzuweisen (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG). Der finanziellen Lage des Beschwerdeführers ist bei der Festsetzung der Gerichtskosten 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. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Solothurn, Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 26. März 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Unseld