Erwägungen:
1. 1.1 X._ (geb. 1969) ist Staatsangehöriger der Dominikanischen Republik. Er reiste im Herbst 1994 in die Schweiz ein. Er heiratete zunächst im Januar 1995 die Schweizer Bürgerin Y._ (geb. 1963), und nachdem er im September 1997 von ihr geschieden worden war, im Oktober 1998 die Schweizer Bürgerin Z._ (geb. 1956). Beide Ehefrauen stammen ursprünglich aus der Dominikanischen Republik; Letztere war im Alter von 29 Jahren in die Schweiz eingereist. Aufgrund der Ehen erhielt X._ Aufenthaltsbewilligungen und im Dezember 2003 die Niederlassungsbewilligung. Die Eheleute haben zwei eheliche Kinder (geb. 1997 und 2002) und brachten zudem je zwei voreheliche Kinder in die Familie (geb. 1989, 1991, 1992 und 1993). Die drei jüngsten Kinder sind Schweizer Bürger (die ehelichen Kinder und ein voreheliches Kind der Ehefrau).
1.2 Im Juli 2004 wurde X._ wegen Verdachts auf Betäubungsmitteldelikte in Haft genommen. Am 3. Oktober 2007 verurteilte ihn das Bezirksgericht Zürich wegen Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz und das Waffengesetz sowie wegen mehrfacher Geldwäscherei zu einer Freiheitsstrafe von sieben Jahren. Hierauf gestützt widerrief die Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich mit Verfügung vom 24. Oktober 2008 die Niederlassungsbewilligung von X._. Seine im Kanton hiegegen erhobenen Rechtsmittel blieben erfolglos.
1.3 Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 17. Juni 2009 beantragt X._ dem Bundesgericht, den kantonal zuletzt ergangenen Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 13. Mai 2009 aufzuheben und ihm die Niederlassungsbewilligung zu belassen. Eventualiter sei die Sache an die Sicherheitsdirektion zurückzuweisen, damit dieses eine "sachgerechte" Anhörung seiner Kinder hinsichtlich deren Bindungen zu ihm veranlasse. Er beantragt zudem, ihm die unentgeltliche Rechtspflege für die Verfahren vor dem Bundesgericht, dem Verwaltungsgericht und dem Regierungsrat zu bewilligen.
Der Regierungsrat des Kantons Zürich - vertreten durch seine Staatskanzlei - und das Bundesamt für Migration ersuchen um Abweisung der Beschwerde. Das Verwaltungsgericht hat auf eine Vernehmlassung verzichtet, während sich die Sicherheitsdirektion nicht geäussert hat. Am 20. Oktober 2009 hat X._ ergänzend Stellung genommen und unter anderem Kopie eines Arbeitsvertrags vom 13. Juni 2009 vorgelegt.
1.4 Der Präsident der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung des Bundesgerichts hat der Beschwerde mit Verfügung vom 19. Juni 2009 antragsgemäss die aufschiebende Wirkung zuerkannt.
2. 2.1 Zwischen den Beteiligten besteht zu Recht Übereinstimmung, dass der Widerrufsgrund der Verurteilung zu einer längerfristigen Freiheitsstrafe nach Art. 63 Abs. 1 lit. a in Verbindung mit Art. 62 lit. b des hier bereits anwendbaren neuen Bundesgesetzes vom 16. Dezember 2005 über die Ausländerinnen und Ausländer (AuG; SR 142.20) erfüllt ist (vgl. dazu auch BGE 2C_295/2009 vom 25. September 2009 E. 4.1 und 4.2; zum Übergangsrecht vgl. Art. 126 AuG und Urteil 2C_745/ 2008 vom 24. Februar 2009 E. 1.2). Ob die Widerrufsgründe des Art. 63 Abs. 1 lit. b und c AuG ebenfalls gegeben sind, wie das die Vorinstanzen teilweise annehmen, kann offen gelassen werden. Der Beschwerdeführer macht geltend, der Widerruf der Bewilligung sei wegen fehlerhafter Würdigung verschiedener Aspekte unverhältnismässig. Im Folgenden wird hierauf eingegangen.
2.2 Der Beschwerdeführer meint, seine bisherige Anwesenheitsdauer in der Schweiz sei nicht genügend berücksichtigt worden. Bei einem mit einer Schweizer Bürgerin verheirateten Ausländer, der erstmals oder nach bloss kurzer Aufenthaltsdauer um die Erneuerung seiner Bewilligung ersucht, geht das Bundesgericht in ständiger, auch unter dem neuen Ausländerrecht fortgeltender Praxis davon aus, dass dem Ausländer im Falle einer Verurteilung zu einer Freiheitsstrafe von zwei Jahren in der Regel selbst dann kein Aufenthaltstitel mehr zu erteilen ist, wenn der Ehepartnerin die Ausreise nicht oder nur schwer zuzumuten ist (sog. Reneja-Praxis; erwähnter BGE 2C_295/2009 E. 4.4 mit Hinweisen). Der Beschwerdeführer hielt sich zwar im Zeitpunkt des Widerrufs der Bewilligung seit rund vierzehn Jahren in der Schweiz auf, so dass die erwähnte Praxis hier nicht unbesehen angewendet werden kann. Von den vierzehn Jahren entfallen aber mindestens ein Jahr - vor der Eingehung der zweiten Ehe - auf eine Zeit ohne Anspruch auf einen Anwesenheitstitel und knapp fünf Jahre auf die Straf- bzw. Untersuchungshaft. Auch hat sich der Beschwerdeführer weder beruflich noch sprachlich besonders integrieren können und pflegt vor allem Kontakte zu eigenen Landsleuten. Ausserdem wurde er zu einer Freiheitsstrafe von deutlich mehr als zwei Jahren verurteilt. Mithin ist die Anwesenheitsdauer des Beschwerdeführers zu relativieren; namentlich kann den Vorinstanzen nicht angelastet werden, sie hätten diesen Umstand nicht genügend berücksichtigt (vgl. im Übrigen E. 5.4.1 des angefochtenen Entscheids, E. 4b und 6c des Regierungsratsbeschlusses vom 4. März 2009 sowie E. 1 und 4a-c der Verfügung der Sicherheitsdirektion vom 24. Oktober 2008).
2.3 Der Beschwerdeführer macht ferner geltend, es erscheine sehr unwahrscheinlich, dass er wieder straffällig werde. Er weist auf Vollzugsberichte hin, denen zufolge ihm ein ausgezeichnetes Zeugnis ausgestellt werde und sein Verhalten im Strafvollzug zu keinen Klagen Anlass gegeben habe. Deshalb hätten die Bewährungs- und Vollzugsdienste ihn am frühest möglichen Termin bedingt aus dem Strafvollzug entlassen und dabei erklärt, es dürfe angenommen werden, er werde versuchen, sich künftig regelkonform zu verhalten.
Wie die Vorinstanzen allerdings zutreffend ausführen, ist damit noch nicht gesagt, dass beim Beschwerdeführer keine Rückfallgefahr mehr besteht (vgl. BGE 130 II 176 E. 4.3.3 S. 188; 114 Ib 1 E. 3b S. 4 f.). In den Vollzugsberichten finden sich zwar etliche positive Äusserungen zum Beschwerdeführer (vor allem vorbildliches Verhalten im Strafvollzug). Darin wird aber auch festgehalten, dass bei der Arbeitsleistung Kontrollen nötig sind und es Situationen gebe, gegen die er immer wieder anrennen würde; negative Entscheide nehme er sehr persönlich; es brauche dann viel, ihm seine "Niederlage" zu erklären und aufzuzeigen, was er anders machen müsse, um erfolgreich zu sein. Sodann hatte der Beschwerdeführer über anderthalb Jahre in der oberen Hierarchie am Betäubungsmittelhandel im Kilo-Bereich teilgenommen und damit erst nach seiner Verhaftung aufgehört. In der Folge war er nicht geständig, sondern musste wegen jedes einzelnen Vorwurfs überführt werden. Gegenüber den Untersuchungspersonen verhielt er sich zum Teil beleidigend. Bezeichnend erscheint auch, dass die Tatbeteiligten bei ihren Aussagen Angst vor Repressalien seitens des Beschwerdeführers hatten (vgl. Strafurteil vom 3. Oktober 2007).
Die aktuelle familiäre Situation des Beschwerdeführers bestand sodann schon zum Zeitpunkt der deliktischen Tätigkeit. Mithin ist nicht zu erwarten, dass ihn die offenbar weiterhin intakte Beziehung zu Ehefrau und Kindern in entscheidender Weise von einer erneuten Straffälligkeit abhalten werde. Hinzu kommt, dass er die Straftaten aus reiner Gewinnsucht beging, als er über ein ausreichendes - wenn auch knappes - Einkommen für sich und seine Familie verfügte. Das Einkommen, das er neuerdings erzielt, genügt nicht einmal, um seine Familie vollständig aus der Sozialhilfebedürftigkeit zu entlassen. Angesichts seines Ausbildungsstandes und den unvollkommenen Deutschkenntnissen wird er Mühe haben, durch redliche Arbeit wesentlich mehr zu verdienen. Seit seiner Haftentlassung - Ende März 2009 - hat sich der Beschwerdeführer noch nicht lange bewährt. Demzufolge haben die Vorinstanzen in nicht zu beanstandender Weise angenommen, es bestehe ein nicht zu unterschätzendes Risiko, dass der Beschwerdeführer erneut in Versuchung geraten könnte, mit Drogen- oder sonstigen illegalen Geschäften schnell zu Geld zu kommen. Angesichts der besonderen Gefährlichkeit, die von Betäubungsmitteln ausgeht, ist dieses Risiko umso weniger hinzunehmen. Wie das Strafgericht festgehalten hat, schreckte der Beschwerdeführer im Übrigen auch vor Gewaltanwendung nicht zurück, da er einem Bekannten eine geladene Pistole übergeben hatte, die anschliessend bei einer Schiesserei eingesetzt wurde. Der Vorwurf, die Vorinstanzen hätte "rein abstrakt argumentiert", stösst ins Leere.
2.4 Mit Blick darauf, dass die Vorinstanz die affektive Bindung der Kinder zum Beschwerdeführer nicht in Abrede stellt, erweist es sich nicht als notwendig, seine Tochter und seine Söhne hiezu noch persönlich anzuhören. Das gilt erst recht, da die Interessen der Kinder durch die Vorbringen des Beschwerdeführers hinreichend in das Verfahren einfliessen konnten. Mithin ist die entsprechende Rüge der Verletzung von Art. 12 der Kinderrechtekonvention (KRK; SR 0.107) unbegründet (vgl. BGE 124 II 361 E. 3c S. 368; Urteil 2A.423/2005 vom 25. Oktober 2005 E. 5).
2.5 Entgegen der Ansicht des Beschwerdeführers haben die Vorinstanzen hinreichend berücksichtigt, dass er bei Rückkehr in seine Heimat möglicherweise nicht mehr entscheidend zur Reduzierung der Sozialhilfeabhängigkeit seiner Familie wird beitragen können. Angesichts der vom Beschwerdeführer ausgehenden Gefährdung und der besonderen Schwere seines Verschuldens ist es nicht bundesrechtswidrig, das Interesse an seiner Fernhaltung als gewichtiger zu werten.
2.6 Der Beschwerdeführer strebt die rechtsgleiche Behandlung mit einem anderen Fall an, in dem einer Ausländerin der weitere Aufenthalt bewilligt wurde. Wie die Vorinstanz zutreffend bemerkt, sind diese Fälle jedoch nicht vergleichbar. Die Ausländerin war zu einer kürzeren Freiheitsstrafe verurteilt worden. Zudem war sie auf der mittleren Stufe des organisierten Drogenhandels einzuordnen, der Beschwerdeführer hingegen auf der oberen Stufe.
2.7 Die Vorinstanz hat die verschiedenen Aspekte, die zu berücksichtigen sind, mithin korrekt gewürdigt. Der Widerruf der Niederlassungsbewilligung erweist sich deshalb als verhältnismässig im Sinne von Art. 96 Abs. 1 AuG und Art. 8 Ziff. 2 EMRK, selbst wenn der Ehefrau und den Kindern nicht zumutbar ist, ebenfalls auszureisen. Ergänzend wird auf die Ausführungen in den Entscheiden der Vorinstanzen verwiesen. Der Hinweis des Beschwerdeführers auf BGE 135 I 153 (2C_353/2008) ist schon deshalb unbehelflich, weil es den Schweizer Familienangehörigen frei steht, hier zu bleiben. Im erwähnten Entscheid hätte das Schweizer Kleinkind seiner alleinerziehenden ausländischen Mutter hingegen faktisch ins Ausland folgen müssen, falls Letzterer der weitere Aufenthalt verweigert worden wäre. Das Bundesgericht hatte dort zudem darauf abgestellt, dass dem ausländischen Elternteil nichts vorzuwerfen ist, was beim Beschwerdeführer eben nicht zutrifft. Die Beschwerde ist nach dem Dargelegten offensichtlich unbegründet. Sie kann daher im vereinfachten Verfahren nach Art. 109 BGG behandelt werden.
3. Diesem Ausgang entsprechend hat der Beschwerdeführer die Kosten des bundesgerichtlichen Verfahrens zu tragen, welche mit Blick auf seine finanzielle Situation leicht reduziert werden (Art. 65 f. BGG). Wegen Aussichtslosigkeit seines Rechtsbegehrens steht ihm die beantragte unentgeltliche Rechtspflege nicht zu (vgl. Art. 64 BGG). Das gilt ebenso für das Verfahren beim Regierungsrat und beim Verwaltungsgericht: Die Verfügung der Sicherheitsdirektion vom 24. Oktober 2008 enthielt bereits eine ausführliche und im Wesentlichen zutreffende Begründung und entsprach der gängigen Praxis. Deswegen ist nach Art. 29 Abs. 3 BV nicht zu beanstanden, dass ihm die Vorinstanzen die unentgeltliche Rechtspflege verweigert haben.
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Der Antrag auf unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'500.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, der Sicherheitsdirektion, dem Regierungsrat und dem Verwaltungsgericht (4. Kammer) des Kantons Zürich sowie dem Bundesamt für Migration schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 2. Dezember 2009
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Müller Merz