Sachverhalt:
A. Mit Urteil vom 13. März 2008 verurteilte das Bezirksgericht Zürich, 4. Abteilung, X._ wegen mehrfachen sexuellen Handlungen mit einem Kind, Vergehens gegen das Waffengesetz und mehrfacher Übertretung gegen das Betäubungsmittelgesetz zu einer teilbedingten Freiheitsstrafe von 2 Jahren und drei Monaten sowie einer Busse von Fr. 400.--. Der Vollzug der Freiheitsstrafe wurde im Umfang von 18 Monaten zur Bewährung aufgeschoben, bei einer Probezeit von zwei Jahren; für den restlichen Teil der Freiheitsstrafe (von neun Monaten) wurde der Vollzug angeordnet. Der Verurteilte wurde ausserdem verpflichtet, dem mutmasslichen Opfer der Sexualdelikte eine Prozessentschädigung sowie eine Genugtuung von Fr. 15'000.-- zu bezahlen; gleichzeitig stellte das Bezirksgericht die grundsätzliche Schadenersatzpflichtigkeit des Verurteilten gegenüber dem Opfer fest, verwies dieses zur genauen Feststellung des Umfanges des Schadenersatzanspruches aber auf den Weg des Zivilprozesses.
B. Mit Eingabe vom 20. März 2008 erklärte der Verurteilte die Berufung und beantragte den Freispruch von der Anklage der mehrfachen sexuellen Handlungen mit einem Kind und des Vergehens gegen das Waffengesetz. Mit Beschluss vom 4. Juni 2009 stellte das Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, fest, dass das Urteil des Bezirksgerichtes vom 13. März 2008 in Rechtskraft erwachsen sei, soweit das Bezirksgericht auf die Anklage von sexuellen Handlungen mit einem Kind (im Zeitraum vor dem 1. September 1997) und von mehrfachen Widerhandlungen gegen das Betäubungsmittelgesetz (im Zeitraum vor dem 13. März 2005) wegen Verjährung nicht eingetreten war. Gleichzeitig beschloss das Obergericht die Aufhebung des bezirksgerichtlichen Urteils vom 13. März 2008 (soweit es nicht in Rechtskraft erwachsen ist) und die Rückweisung der Strafsache an das Bezirksgericht zur Neubeurteilung im Sinne der obergerichtlichen Erwägungen.
C. Gegen den Rückweisungsbeschluss des Obergerichtes vom 4. Juni 2009 gelangte X._ mit Beschwerde vom 10. Juli 2009 an das Bundesgericht. Er beantragt im Hauptstandpunkt die Aufhebung des angefochtenen Entscheides. Die Staatsanwaltschaft und das Obergericht haben am 4. bzw. 17. August 2009 auf Vernehmlassungen je ausdrücklich verzichtet.
Erwägungen:
1. Beim angefochtenen Rückweisungsentscheid handelt es sich um einen Zwischenentscheid.
1.1 Vorbehältlich der (hier nicht gegebenen) Fälle von Art. 92 BGG ist die Beschwerde gegen selbstständig eröffnete Vor- und Zwischenentscheide nur zulässig, wenn diese einen nicht wieder gutzumachenden Nachteil bewirken können (Art. 93 Abs. 1 lit. a BGG) oder wenn die Gutheissung der Beschwerde sofort einen Endentscheid herbeiführen und damit einen bedeutenden Aufwand an Zeit oder Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren ersparen würde (Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG).
1.2 Der Beschwerdeführer macht geltend, im vorliegenden Fall seien die Eintretensvoraussetzungen von Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG erfüllt.
1.3 Soweit Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG auf Straffälle wie den vorliegenden überhaupt anwendbar erscheint, ist die Bestimmung (nach ihrem Sinn und Zweck) restriktiv auszulegen (vgl. BGE 133 IV 288 E. 3.2-3.3 S. 292 f. mit Hinweisen; Urteil 1B_242/2008 vom 11. November 2008 E. 3.2). Dies gilt umso mehr, als die Parteien in der Sache keiner Rechte verlustig gehen, wenn sie einer Zwischenverfügung nicht opponieren, können sie diese doch noch zusammen mit dem Endentscheid anfechten, soweit sie sich auf dessen Inhalt auswirkt (Art. 93 Abs. 3 BGG). Das Bundesgericht prüft nach freiem Ermessen, ob bei einer Gutheissung der Beschwerde ein bedeutender Aufwand an Zeit und Kosten für ein weitläufiges Beweisverfahren erspart werden kann (BGE 133 IV 288 E. 3.2 S. 292 mit Hinweisen).
Die Vorinstanz legt ausführlich dar, dass sich diverse Beweisergänzungen "geradezu aufdrängten". Bei den protokollierten Beweisaussagen verschiedener Gewährspersonen, insbesondere des mutmasslichen Opfers, lägen prozessuale Fehler vor (mangelnde Hinweise auf Aussage- bzw. Zeugnisverweigerungsrechte), welche der Verwertbarkeit der Beweismittel entgegenstünden (vgl. angefochtener Entscheid, S. 11-14, E. 3.3-3.5). Ausserdem habe der Beschwerdeführer im Berufungsverfahren selbst diverse Beweisergänzungen gestellt, denen teilweise Folge leisten zu sei (vgl. angefochtener Entscheid, S. 14-17, E. 4.1). Wie sich aus den Akten ergibt, lässt sich die Stichhaltigkeit der Anklage (soweit das erstinstanzliche Urteil noch nicht in Rechtskraft erwachsen ist) ohne die von der Vorinstanz angeordneten Beweisergänzungen nicht prüfen. Dies gilt insbesondere für den laut Obergericht abzuklärenden Vorwurf, der Beschwerdeführer habe seine Stieftochter zwischen ihrem dreizehnten (nämlich ab 1. September 1997) und fünfzehnten Altersjahr (bis 2. Mai 2000) mehrfach sexuell missbraucht. Das kantonale Strafprozessrecht ermöglicht in Fällen wie dem vorliegenden eine Rückweisung des Verfahrens an das erstinstanzliche Gericht zur Beweisergänzung und Neubeurteilung (vgl. § 183 Abs. 2 i.V.m. §§ 398, 420 und 424 Abs. 1 StPO/ZH; s. auch Niklaus Schmid, in: Donatsch/Schmid, Kommentar zur Strafprozessordnung des Kantons Zürich, Zürich 1997 ff., § 183 N. 4). Die Eintretensvoraussetzungen von Art. 93 Abs. 1 lit. b BGG sind nicht gegeben.
1.4 Zu prüfen bleibt noch, ob die Beschwerde gestützt auf Art. 93 Abs. 1 lit. a BGG zulässig erscheint.
Als oberste rechtsprechende Behörde des Bundes soll sich das Bundesgericht in der Regel nur einmal mit der gleichen Streitsache befassen müssen. Nach ständiger Praxis ist ein Vor- oder Zwischenentscheid daher nur ausnahmsweise anfechtbar, sofern ein konkreter rechtlicher Nachteil droht, der auch durch einen (für die rechtsuchende Partei günstigen) Endentscheid nachträglich nicht mehr behoben werden könnte (BGE 134 I 83 E. 3.1 S. 86 f.; 134 IV 43 E. 2.1 S. 45; 133 IV 139 E. 4 S. 141, 288 E. 3.1 S. 291, 355 E. 4 S. 338; je mit Hinweisen). Ein nicht verfahrensabschliessender Rückweisungsentscheid begründet grundsätzlich selbst dann keinen nicht wieder gutzumachenden Rechtsnachteil, wenn er zu einem zusätzlichen Verfahrensaufwand führt (BGE 133 IV 121 E. 1.3 S. 125). Dies gilt insbesondere für die Rückweisung eines Strafverfahrens zur weiteren Untersuchung, welche eine Verfahrensverzögerung oder zusätzliche Kosten nach sich zieht (BGE 133 IV 139 E. 4 S. 141 mit Hinweisen; Urteil 1B_242/2008 vom 11. November 2008 E. 3.4). Diese Praxis ist auch im vorliegenden Fall zu bestätigen.
2. Auf die Beschwerde ist nicht einzutreten.
Der Beschwerdeführer stellt ein Gesuch um unentgeltliche Prozessführung und Rechtsverbeiständung. Trotz gewissen Bedenken erscheint die Beschwerde noch als nicht zum Vornherein offensichtlich unzulässig. Da auch die übrigen gesetzlichen Voraussetzungen erfüllt sind, kann dem Ersuchen entsprochen werden (Art. 64 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Auf die Beschwerde wird nicht eingetreten.
2. Dem Beschwerdeführer wird die unentgeltliche Rechtspflege gewährt:
2.1 Es werden keine Kosten erhoben.
2.2 Rechtsanwalt Martin Jäggi wird als amtlicher Vertreter des Beschwerdeführers bestellt, und es wird ihm für das bundesgerichtliche Verfahren aus der Bundesgerichtskasse ein Honorar von Fr. 1'500.-- ausgerichtet.
3. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, der Staatsanwaltschaft Zürich-Sihl und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 7. Januar 2010
Im Namen der I. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Féraud Forster