Sachverhalt:
A. Das Bezirksgericht Hinwil sprach X._ am 2. Dezember 2009 der sexuellen Handlung mit einem Kind im Sinne von Art. 187 Ziff. 1 Abs. 1 StGB schuldig. Es widerrief den ihm mit Urteil des Bezirksgerichts Zürich vom 21. April 2005 gewährten bedingten Vollzug einer Gefängnisstrafe von 30 Tagen und verurteilte ihn unter Einbezug der widerrufenen Strafe zu einer Geldstrafe von 120 Tagessätzen zu Fr. 80.-- als Gesamtstrafe, davon 70 Tagessätze bedingt. Zudem verpflichtete es X._, A._ eine Genugtuung von Fr. 800.-- zuzüglich Zins seit dem 26. November 2006 zu bezahlen.
Auf Berufung von X._ hin bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich am 18. November 2010 den erstinstanzlichen Schuldspruch der sexuellen Handlung mit einem Kind und den Widerruf der am 21. April 2005 bedingt ausgesprochenen Gefängnisstrafe von 30 Tagessätzen. Es verurteilte ihn zu einer Gesamtgeldstrafe von 75 Tagessätzen zu Fr. 120.--, davon 45 Tagessätze bedingt. Die Genugtuungsforderung von A._ bestätigte es ebenfalls.
X._ soll im November/Dezember 2006, vermutlich am 26. November 2006, am Penis von A._ (geboren am 1. Juni 1999) die Vorhaut ein- oder zweimal nach hinten und wieder nach vorne gezogen und diesen gefragt haben, ob er dies bei ihm auch machen wolle, was A._ verneint habe.
B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, das Urteil des Obergerichts vom 18. November 2010 aufzuheben und ihn von Schuld und Strafe freizusprechen, unter Kosten- und Entschädigungsfolge zulasten des Staates. Eventualiter sei die Sache an die Vorinstanz zur neuen Beurteilung zurückzuweisen. Er ersucht sinngemäss um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung und stellt ein Gesuch um aufschiebende Wirkung.
Erwägungen:
1. Die Beschwerde ist zu begründen (Art. 42 Abs. 1 und 2, Art. 106 Abs. 2 BGG). Die Begründung hat in der Beschwerdeschrift selbst zu erfolgen. Soweit der Beschwerdeführer auf seine kantonalen Eingaben verweist, ist auf die Beschwerde nicht einzutreten (BGE 133 II 396 E. 3.2; 131 III 384 E. 2.3 mit Hinweis).
2. 2.1 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung von Art. 6 EMRK sowie Art. 29 und Art. 32 BV. Die erste Videobefragung des Geschädigten sei in elementarer Verletzung seiner Verteidigungsrechte zustande gekommen. Die lediglich der Form halber, pauschal und ohne konkreten Vorhalt gestellten Fragen bei der zweiten Einvernahme könnten nicht genügen, um eine Heilung der vorgängigen Verfahrensfehler nach sich zu ziehen. Die beiden Einvernahmen des Geschädigten seien unverwertbar. Selbst wenn man nicht auf eine absolute Unverwertbarkeit schliessen wollte, käme eine Verwertung der ersten Einvernahme nur infrage, wenn sie nicht das einzige oder ausschlaggebende Beweismittel wäre. Dies sei vorliegend jedoch der Fall, da sich der angeklagte Sachverhalt ohne einen mehr als hilfsweisen Beizug der ersten Befragung nicht erstellen lasse und der ersten Einvernahme im Vergleich zur zweiten eine überragende Bedeutung zukomme.
2.2 Der in Art. 6 Ziff. 3 lit. d EMRK garantierte Anspruch des Angeschuldigten, den Belastungszeugen Fragen zu stellen, ist ein besonderer Aspekt des Rechts auf ein faires Verfahren gemäss Art. 6 Ziff. 1 EMRK. Eine belastende Zeugenaussage ist grundsätzlich nur verwertbar, wenn der Beschuldigte wenigstens einmal während des Verfahrens angemessene und hinreichende Gelegenheit hatte, das Zeugnis in Zweifel zu ziehen und Fragen an den Belastungszeugen zu stellen. Dieser Anspruch wird als Konkretisierung des rechtlichen Gehörs (Art. 29 Abs. 2 BV) auch durch Art. 32 Abs. 2 BV gewährleistet (BGE 131 I 476 E. 2.2 S. 480; 129 I 151 E. 3.1 mit Hinweisen). Damit die Verteidigungsrechte gewahrt sind, muss der Beschuldigte namentlich in der Lage sein, die Glaubhaftigkeit einer Aussage prüfen und den Beweiswert in kontradiktorischer Weise auf die Probe und infrage stellen zu können (BGE 133 I 33 E. 2.2; 131 I 476 E. 2.2 S. 481; 129 I 151 E. 4.2; je mit Hinweisen). Das kann entweder zum Zeitpunkt erfolgen, zu dem der Belastungszeuge seine Aussage macht, oder auch in einem späteren Verfahrensstadium (BGE 131 I 476 E. 2.2 S. 481; 125 I 127 E. 6b und 6c/aa mit Hinweisen).
Auf eine Konfrontation kann nur unter besonderen Umständen verzichtet werden. In solchen Fällen ist gestützt auf Art. 6 Ziff. 1 und Ziff. 3 lit. d EMRK erforderlich, dass der Beschuldigte zum streitigen Zeugnis hinreichend Stellung nehmen kann, die Aussagen sorgfältig geprüft werden und der Schuldspruch nicht alleine darauf abgestützt wird, d.h. der belastenden Aussage nicht ausschlaggebende Bedeutung zukommt bzw. sie nicht den einzigen oder einen wesentlichen Beweis darstellt (BGE 131 I 476 E. 2.2 S. 481; 129 I 151 E. 3.1 mit Hinweisen).
2.3 Der Beschwerdeführer war anlässlich der polizeilichen Einvernahme von A._ vom 22. Januar 2007 nicht anwesend. Er erhielt jedoch die Möglichkeit, die Videoaufzeichnung nachträglich zu visionieren. Die zweite Befragung des Geschädigten vom 19. August 2009 konnte er demgegenüber in einem Nebenraum mitverfolgen und Ergänzungsfragen stellen (vgl. angefochtenes Urteil E. 7 S. 10). Damit wurden die kantonalen Behörden seinem Anspruch auf Konfrontation gemäss Art. 6 EMRK sowie Art. 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 2 BV gerecht. Die beiden Befragungen vom 22. Januar 2007 und 19. August 2009 sind verwertbar, ohne dass in diesem Zusammenhang zu prüfen wäre, ob der ersten Einvernahme ausschlaggebende Bedeutung zukommt. Die Frage, ob bei widersprüchlichen Aussagen oder späteren Erinnerungslücken eines Zeugen auf die ersten, in Abwesenheit des Beschuldigten erfolgten Aussagen abgestellt werden kann, betrifft nicht die Verwertbarkeit, sondern ausschliesslich die Beweiswürdigung.
3. 3.1 Der Beschwerdeführer rügt eine willkürliche Sachverhaltsfeststellung sowie damit einhergehend eine Verletzung des rechtlichen Gehörs und des Anspruchs auf ein faires Verfahren. Die Aktenlage, insbesondere aber die Aussagen des Geschädigten, sei in absolut zentralen Punkten, welche den Kernbereich des Anklagevorwurfs beträfen, in hohem Masse widersprüchlich. Die Vorinstanz habe sich mit verschiedenen der von ihm aufgezeigten Widersprüche nicht auseinandergesetzt. Ihre Beweiswürdigung sei zudem einseitig, da sie die Widersprüche in den Aussagen des Geschädigten jeweils mit dem kindlichen Alter erkläre oder als nur bei oberflächlicher Betrachtung bestehend abtue. Einen ganz anderen, ungleich strengeren Massstab lege sie bei der Würdigung seiner eigenen Aussagen an.
3.2 Die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie willkürlich (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; BGE 134 IV 36 E. 1.4.1).
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). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerde anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 136 I 49 E. 1.4.1; 134 II 244 E. 2.2).
3.3 Die Vorinstanz setzt sich eingehend mit den Argumenten des Beschwerdeführers auseinander. Sie erwägt insbesondere, entgegen dem Einwand des Beschwerdeführers könne nicht von einer Instrumentalisierung des Geschädigten durch dessen Vater ausgegangen werden. Der Geschädigte sei im Zeitpunkt der ersten Befragung bereits 71/2 Jahre alt gewesen. Er sei in den beiden Befragungen aufmerksam und lebendig gewesen und habe sich aktiv am Gespräch beteiligt. Er habe nachgefragt und sich motiviert gezeigt, genau zu antworten. Er habe aber auch deutlich gemacht, wenn er keine Antwort habe geben wollen. Insgesamt habe er natürlich agiert. Anzeichen dafür, dass er bei der Befragung primär den Erwartungen seines Vaters oder anderer Personen hätte gerecht werden wollen, fehlten. Im Gegenteil zeigten die beiden Befragungen deutlich dessen Fähigkeit, sich abzugrenzen. Abgesehen davon sei nicht ersichtlich, inwiefern die Eltern des Geschädigten ein Interesse daran gehabt haben könnten, ihrem Kind den Gegenstand des Anklagevorwurfs einzureden. Der Vater des Geschädigten sei mit der Strafanzeige erhebliche persönliche Risiken eingegangen. Die Vorstellung, er habe im Zusammenhang mit dem Sorgerechtsstreit ein Interesse daran gehabt, den Beschwerdeführer als Bekannten der Mutter des Geschädigten einer falschen Anschuldigung auszusetzen, lasse sich nicht halten. Der Geschädigte habe den Vorfall in den beiden Befragungen auf wiederholtes Nachfragen nicht nur identisch, sondern auch lebensnah und kindlich geschildert. Er sei um Genauigkeit bemüht gewesen. Unsicherheiten und fehlende Erinnerung habe er nicht geleugnet. Anzeichen einer strategischen Selbstpräsentation oder Tendenzen zur Dramatisierung seien nicht erkennbar. Die Aussagen des Beschwerdeführers würden sich im Wesentlichen in einer Bestreitung der Vorwürfe erschöpfen und sich im relevanten Kernbereich einer inhaltlichen Analyse weitgehend entziehen. Im Übrigen seien sie übertrieben aufdringlich und als unnötige Abwertung des Vaters des Geschädigten zu qualifizieren.
3.4 Die Vorinstanz zeigt willkürfrei auf, weshalb sie zur Überzeugung gelangt, die vom Geschädigten geschilderte sexuelle Handlung beruhe auf tatsächlich Erlebtem. Die Einwände des Beschwerdeführers lassen die vorinstanzliche Würdigung nicht offensichtlich unhaltbar erscheinen. Die Vorinstanz durfte eine Instrumentalisierung des Geschädigten durch die Eltern, ohne in Willkür zu verfallen, verneinen. Entgegen den Behauptungen in der Beschwerde sind die Aussagen des Geschädigten in ihrem Kerngehalt zudem nicht widersprüchlich. Er schilderte die Berührungen durch den Beschwerdeführer in den beiden Befragungen jeweils identisch. Seine teilweise unterschiedlichen Gefühlsäusserungen, wonach er die Berührung einerseits als "gruusig" empfand, es ihm andererseits aber auch gefallen und er sich gut dabei gefühlt haben soll, sind nicht geeignet, dessen Glaubwürdigkeit infrage zu stellen. Dies gilt auch, soweit der Geschädigte den Vorwurf gegen den Beschwerdeführer in der zweiten Befragung ausweitete, indem er angab, dieser habe es nach den Reibungen an seinem (des Geschädigten) Penis an sich selbst gemacht. Das Bezirksgericht hielt diesen Anklagevorwurf für nicht erstellt. Entsprechend war dieser Punkt mangels einer Berufung der Staatsanwaltschaft nicht mehr Gegenstand des Berufungsverfahrens. Die Vorinstanz weist diesbezüglich willkürfrei darauf hin, dass die spätere Ergänzung des Sachverhalts nichts daran ändert, dass die von Beginn an vorgetragenen Anschuldigungen inhaltlich überzeugend seien, zumal sich die neuen Vorwürfe in das Verhalten und die früheren Äusserungen des Geschädigten grundsätzlich organisch einfügen würden. Nicht von vornherein ausgeschlossen ist nach dem zutreffenden Hinweis der Vorinstanz, dass der Geschädigte die dahin gehende Bemerkung gegenüber seinem Vater "das Schnäbeli das kötzlet" anlässlich der ersten Befragung herunterspielte, um den Beschwerdeführer, den er gut mochte, zu schützen (angefochtenes Urteil S. 31).
Insgesamt hält der Beschwerdeführer der vorinstanzlichen Beweiswürdigung lediglich seine eigene Sicht der Dinge entgegen. Den Nachweis, dass die Sachverhaltsfeststellung der Vorinstanz offensichtlich unhaltbar und damit willkürlich sein soll, bleibt er schuldig. Seine Einwände erschöpfen sich in einer unzulässigen appellatorischen Kritik. Darauf ist nicht weiter einzutreten.
3.5 Die Vorinstanz setzt sich mit sämtlichen Einwänden des Beschwerdeführers und namentlich auch mit den angeblichen Widersprüchen in den Aussagen des Geschädigten auseinander. Ihre Beweiswürdigung kann entgegen dem Vorwurf des Beschwerdeführers nicht als einseitig bezeichnet werden. Eine Verletzung des rechtlichen Gehörs oder des Anspruchs auf ein faires Verfahren liegt nicht vor.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer sieht das Anklageprinzip verletzt. Aus der Anklageschrift gehe nicht hervor, welche strafbaren Handlungen ihm zur Last gelegt würden, namentlich in Bezug auf den darin erwähnten Dusch-, Einseif- und Abtrocknungsvorgang. Unklar sei, ob ihm das gemeinsame Duschen mit dem Geschädigten zum strafrechtlich relevanten Vorwurf gemacht werde und - falls ja - inwiefern diese Handlung in das Strafmass eingeflossen sei.
4.2 Nach dem aus Art. 29 Abs. 2 und Art. 32 Abs. 2 BV sowie aus Art. 6 Ziff. 1 und Ziff. 3 lit. a und b EMRK abgeleiteten Anklagegrundsatz bestimmt die Anklageschrift den Gegenstand des Gerichtsverfahrens. Die Anklage hat die der beschuldigten Person zur Last gelegten Delikte in ihrem Sachverhalt so präzise zu umschreiben, dass die Vorwürfe genügend konkretisiert sind. Das Anklageprinzip bezweckt zugleich den Schutz der Verteidigungsrechte der angeschuldigten Person und dient dem Anspruch auf rechtliches Gehör (BGE 126 I 19 E. 2a; 120 IV 348 E. 2b mit Hinweisen). Das Anklageprinzip ist verletzt, wenn der Angeschuldigte für Taten verurteilt wird, bezüglich welcher die Anklageschrift den inhaltlichen Anforderungen nicht genügt.
4.3 Aus dem angefochtenen Urteil ergibt sich mit aller Deutlichkeit, dass dem Beschwerdeführer das Duschen und Abtrocknen des Geschädigten nicht zum Vorwurf gemacht wird, sondern damit lediglich die zur späteren sexuellen Handlung führenden Umstände näher umschrieben werden (angefochtenes Urteil E. 3 S. 8). Eine Verletzung des Anklageprinzips ist zu verneinen.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
Die Beschwerde war aussichtslos. Daran ändert entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers (vgl. Beschwerde S. 4) auch der in Anwendung von § 138 Abs. 4 GVG/ZH ausformulierte Minderheitsantrag in den kantonalen Akten nichts. Der Beschwerdeführer verkennt, dass die Vorinstanz auf dem Gebiet der Beweiswürdigung über einen Ermessensspielraum verfügt. Der Umstand, dass der vorinstanzliche Entscheid nicht einstimmig erging, kann für die Beurteilung der Erfolgsaussichten vor Bundesgericht nicht ausschlaggebend sein, wenn der Beschwerdeführer in seiner Beschwerde nicht annähernd aufzuzeigen vermag, weshalb der angefochtene Entscheid nicht nur falsch, sondern offensichtlich unhaltbar sein soll. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung ist daher 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).
Der Beschwerdegegner 2 wurde nicht zur Stellungnahme aufgefordert. Er hatte vor Bundesgericht keine Umtriebe, weshalb ihm keine Entschädigung zuzusprechen ist.
Das Gesuch um aufschiebende Wirkung wird mit dem Entscheid in der Sache gegenstandslos.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf eingetreten wird.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 22. August 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Unseld