Fatti:
A. Con provvedimento del 25 febbraio 2008, l'Ufficio AI del Cantone Ticino (UAI) ha posto M._, nato nel 1966, già attivo quale autista di autobus e affetto tra l'altro da cervicalgie e lombalgie, al beneficio di una rendita intera d'invalidità limitatamente al periodo dal 1° agosto 2003 al 31 gennaio 2005.
B. Tramite il Patronato INCA, M._ ha deferito il provvedimento amministrativo al Tribunale delle assicurazioni del Cantone Ticino, postulando la concessione di una rendita intera anche dopo il 31 gennaio dall'UAI.
L'UAI in sede di risposta ha proposto di attribuire all'assicurato la rendita intera fino a fine febbraio 2006.
Per pronuncia del 20 febbraio 2009 il Tribunale delle assicurazioni del Cantone Ticino ha parzialmente accolto il ricorso dell'assicurato nel senso che ha rinviato gli atti all'amministrazione per ulteriori accertamenti conformemente ai considerandi, riferiti al momento esatto dell'intervenuto miglioramento dello stato di salute dell'insorgente.
C. Contestando l'accertato miglioramento, M._, ora patrocinato dall'avv. Carlo Paris, ha presentato ricorso in materia di diritto pubblico al Tribunale federale, al quale, protestate spese e ripetibili, chiede, in accoglimento del gravame, l'annullamento del giudizio cantonale e l'erogazione di una rendita intera d'invalidità a tempo indeterminato dal 1° agosto 2003. Il ricorrente domanda quindi di essere posto al beneficio dell'assistenza giudiziaria e del gratuito patrocinio.
Mentre l'UAI propone la reiezione del gravame, l'Ufficio federale delle assicurazioni sociali ha rinunciato a determinarsi.
Diritto:
1. Il Tribunale federale esamina d'ufficio e con pieno potere di cognizione la sua competenza (art. 29 cpv. 1 LTF), rispettivamente l'ammissibilità dei gravami che gli vengono sottoposti (DTF 133 I 185 consid. 2 pag. 188 con riferimenti; 133 II 249 consid. 1.1 pag. 251).
1.1 Dal momento che non pone termine alla procedura e che non serve unicamente e semplicemente a dare esecuzione a quanto ordinato con la decisione di rinvio (cfr. consid. 1.1 non pubblicato in DTF 134 V 392), il giudizio impugnato non costituisce una decisione finale ai sensi dell'art. 90 LTF.
1.2 Né esso configura una decisione parziale ai sensi dell'art. 91 LTF. Per ammettere l'esistenza di una siffatta decisione occorrerebbe infatti conformemente alla sua lett. a che il giudizio concernesse talune conclusioni, se queste possono essere giudicate indipendentemente dalle altre. Questo non vale per gli aspetti parziali di una medesima conclusione, ma solo per le diverse conclusioni riferite a differenti e separati oggetti della lite (DTF 133 V 477 consid. 4.1.2-4.3 pag. 480 segg; 125 V 413). Nel caso di specie, la decisione di rinvio impugnata non ha statuito in via definitiva sull'(unico) oggetto della lite, ossia sul diritto alla rendita (compresa la sua durata; cfr. per analogia sentenza 9C_275/2007 del 17 giugno 2008 consid. 2.2).
1.3 La decisione di rinvio va pertanto qualificata quale decisione incidentale ai sensi dell'art. 93 LTF (DTF 133 V 477 consid. 4.2 pag. 481). L'ammissibilità del ricorso presuppone di conseguenza - in via alternativa - che la pronuncia possa causare un pregiudizio irreparabile (cpv. 1 lett. a) oppure che l'accoglimento del ricorso comporterebbe immediatamente una decisione finale consentendo di evitare una procedura probatoria defatigante o dispendiosa (cpv. 1 lett. b).
1.4 Un pregiudizio irreparabile ai sensi dell'art. 93 cpv. 1 lett. a LTF è un danno di natura giuridica che non può essere riparato ulteriormente da un giudizio finale o da un'altra decisione favorevole al ricorrente (DTF 133 IV 139 consid. 4 pag. 141, 288 consid. 3.1). Per contro, un danno meramente fattuale, come può essere il prolungamento della procedura o un aumento delle sue spese, non può essere considerato irreparabile (DTF 133 I 57 consid. 1 pag. 59). Spetta al ricorrente spiegare in che misura la decisione incidentale in lite sia di natura tale da provocare un pregiudizio irreparabile ai sensi dell'art. 93 cpv. 1 lett. a LTF, oppure in che misura l'accoglimento del ricorso comporterebbe immediatamente una decisione finale consentendo di evitare una procedura probatoria defatigante o dispendiosa ai sensi dell'art. 93 cpv. 1 lett. b LTF. Se ciò non si verifica - e a meno che una di queste due condizioni non sia manifestamente data - , il Tribunale federale non entra nel merito del ricorso (cfr. DTF 133 III 629 consid. 2.3.1 pag. 632).
1.5 Orbene, il ricorrente non spiega minimamente in quale misura il giudizio impugnato gli provocherebbe un danno irreparabile né in che misura l'accoglimento del ricorso eviterebbe una procedura probatoria defatigante o dispendiosa. Ciò non risulta neppure chiaramente dagli atti. A tale considerazione si aggiunge poi che per giurisprudenza una decisione di rinvio non provoca di regola un danno irreparabile ai sensi dell'art. 93 cpv. 1 lett. a LTF poiché la parte interessata può sempre ancora impugnarla insieme alla decisione finale (cfr. art. 93 cpv. 3 LTF; consid. 1.2.1 non pubblicato in DTF 134 V 392). Ne segue che il Tribunale federale non può entrare nel merito del ricorso (cfr. per analogia pure sentenza 9C_805/2007 del 21 novembre 2008 consid. 1).
2. Il ricorrente ha chiesto di essere posto al beneficio dell'assistenza giudiziaria gratuita.
2.1 Il Tribunale federale dispensa la parte che dimostra di essere in uno stato di bisogno e le cui conclusioni non sembrano prive di probabilità di successo, dal pagare le spese processuali e i disborsi (art. 64 cpv. 1 LTF). Se occorre, il Tribunale federale può fare assistere questa parte da un avvocato i cui onorari sono sopportati dalla cassa del Tribunale medesimo (art. 64 cpv. 2 LTF).
2.2 Considerato che le conclusioni del presente ricorso erano fin dall'inizio sprovviste di possibilità di esito favorevole, la domanda di assistenza giudiziaria gratuita dev'essere respinta, senza che occorra esaminare l'indigenza dell'istante.
3. La procedura è onerosa (art. 65 seg. LTF). Le spese, che seguono la soccombenza (art. 66 cpv. 1 LTF), andrebbero di conseguenza poste a carico del ricorrente. Tenuto conto delle particolari circostanze del caso, si prescinde tuttavia eccezionalmente dal prelevare simili spese.
Per questi motivi, il Tribunale federale pronuncia:
1. Il ricorso è inammissibile.
2. La domanda di assistenza giudiziaria gratuita è respinta.
3. Non si prelevano spese giudiziarie.
4. Comunicazione alle parti, al Tribunale delle assicurazioni del Cantone Ticino e all'Ufficio federale delle assicurazioni sociali.