Fatti:
A. Nel 2003 la cittadina romena A._ (1981) è stata condannata a due riprese per esercizio illecito della prostituzione e per infrazione alla legge federale del 26 marzo 1931 sulla dimora ed il domicilio degli stranieri (LDDS). Per questo motivo l'Ufficio federale degli stranieri (ora della migrazione) le ha vietato l'entrata in Svizzera fino al 15 luglio 2006. Previa sospensione di tale provvedimento, il 17 dicembre 2004 l'interessata si è unita in matrimonio a Bellinzona con il cittadino italiano B._ (1965), titolare di un permesso di domicilio. Per permettere la vita coniugale in Svizzera, il divieto d'entrata è stato revocato e alla moglie è stato rilasciato un permesso di dimora CE/AELS valido fino al 16 dicembre 2009.
B. Dopo aver fatto interrogare i coniugi ed aver ordinato controlli sulla presenza della moglie al domicilio coniugale, con decisione del 4 maggio 2007 la Sezione dei permessi e dell'immigrazione del Cantone Ticino ha revocato il permesso di dimora a A._, rilevando che da tempo i coniugi non vivevano più assieme e che il matrimonio non era più realmente vissuto. Su ricorso, la revoca è stata confermata dapprima dal Consiglio di Stato ticinese, il 21 agosto 2007, e quindi dal Tribunale cantonale amministrativo, il 30 ottobre seguente.
C. Il 13 dicembre 2007 A._ ha presentato al Tribunale federale un ricorso in materia di diritto pubblico, con cui chiede di annullare sia la pronuncia del Tribunale amministrativo, sia le decisioni delle istanze precedenti. Lamenta la violazione dell'art. 3 Allegato I dell'Accordo del 21 giugno 1999 tra la Comunità europea e i suoi Stati membri, da una parte, e la Confederazione Svizzera, dall'altra, sulla libera circolazione delle persone (ALC; RS 0.142.112.681) e dell'art. 8 CEDU. Con istanza del 18 febbraio 2008 ha poi chiesto di essere posta al beneficio dell'assistenza giudiziaria con gratuito patrocinio.
D. Chiamati ad esprimersi, il Tribunale cantonale amministrativo si riconferma nelle motivazioni e nelle conclusioni della propria decisione, il Consiglio di Stato si rimette al giudizio del Tribunale federale, mentre la Sezione cantonale dei permessi e dell'immigrazione e l'Ufficio federale della migrazione propongono di respingere il gravame.
Diritto:
1. 1.1 In virtù dell'art. 7 lett. d ALC e dell'art. 3 cpv. 1 e 2 lett. a del relativo Allegato I, la ricorrente, sposata con un lavoratore comunitario titolare di un permesso di domicilio, ha in principio il diritto di soggiornare in Svizzera durante tutta la durata formale del matrimonio (DTF 130 II 113 consid. 8.3). La fattispecie non adempie quindi le condizioni dell'art. 83 lett. c n. 2 LTF, per cui il ricorso in materia di diritto pubblico è di massima ammissibile. D'altronde, considerato che il procedimento riguarda la revoca di un permesso che altrimenti avrebbe ancora effetti giuridici, il gravame sarebbe ricevibile anche se l'insorgente non potesse vantare alcun diritto all'ottenimento del permesso di dimora (sentenza 2C_21/2007 del 16 aprile 2007, consid. 1.2).
1.2 In ragione dell'effetto devolutivo della procedura ricorsuale, l'impugnativa è comunque inammissibile nella misura in cui la ricorrente chiede l'annullamento anche delle decisioni del Consiglio di Stato e della Sezione dei permessi e dell'immigrazione (art. 86 cpv. 1 lett. d LTF; DTF 129 II 438 consid. 1).
2. 2.1 Secondo la giurisprudenza, il coniuge straniero di un lavoratore comunitario al beneficio di un permesso di dimora o di domicilio in Svizzera può prevalersi di diritti di portata analoga a quelli conferiti dall'art. 7 cpv. 1 LDDS al coniuge straniero di un cittadino svizzero (DTF 130 II 113 consid. 4 e 8-10). Di conseguenza, mentre il consorte di un cittadino extra-comunitario con permesso di domicilio ha inizialmente diritto al rilascio del permesso di dimora solo finché vive con il coniuge (art. 17 cpv. 2 LDDS; DTF 130 II 113 consid. 4.1), la moglie, rispettivamente il marito di un cittadino comunitario non deve vivere in permanenza sotto lo stesso tetto del coniuge. D'altro canto però il diritto di soggiorno non è assoluto. L'art. 3 Allegato I ALC non permette infatti di tutelare matrimoni fittizi. Inoltre, in caso di separazione della coppia, vi è abuso di diritto nell'invocare tale disposizione se il legame coniugale è svuotato di ogni contenuto ed il richiamo al medesimo appare finalizzato unicamente ad ottenere o conservare il permesso di dimora (DTF 130 II 113 consid. 9).
2.2 Nel caso di specie, risulta dagli atti che A._ nel corso del 2002 e all'inizio del 2003 ha soggiornato in Ticino operando illegalmente come prostituta. Colpita in seguito da un divieto d'entrata, è subito rientrata clandestinamente in Svizzera ed ha esercitato ancora per qualche tempo tale attività, prima di venir ospitata da un amico fino al mese di luglio del 2003. Scoperta, è stata allora nuovamente allontanata dal territorio elvetico, dove dovrebbe aver fatto ritorno solo un paio di mesi prima delle nozze con B._, peraltro mai menzionato negli interrogatori esperiti dalla polizia del 2003, malgrado i coniugi abbiano poi affermato che all'epoca già si conoscevano.
Ad ogni modo, celebrato il matrimonio il 17 dicembre 2004, la ricorrente ha convissuto in modo regolare e costante con il marito solo alcuni mesi, dopodiché ha preso in locazione un appartamento nel Luganese. Secondo le dichiarazioni di entrambi i coniugi, ella rientrava comunque al domicilio coniugale nel Bellinzonese tutti i week-end ed il trasferimento era dettato unicamente da ragioni di vicinanza alla scuola frequentata ed al posto di lavoro nonché da problemi di incomprensione con le figlie del marito. Per ammissione degli interessati stessi, dopo aver assunto la gerenza di un esercizio pubblico l'insorgente avrebbe limitato ancor più i propri rientri, solitamente circoscritti alle domeniche.
2.3 Sennonché, tra il mese di dicembre del 2006 e il mese di marzo del 2007 la polizia ha effettuato tredici controlli presso l'abitazione coniugale, in orari e giorni della settimana differenti, ma soprattutto di domenica, non trovando mai in casa la ricorrente. Non è invero plausibile sostenere che in tutte queste occasioni la stessa era in viaggio o era brevemente uscita a fare acquisti, come invece preteso nel ricorso. Inoltre i motivi addotti per giustificare il mancato rientro regolare al domicilio non appaiono impedimenti seri e reali, tant'è che, pur in assenza di cambiamenti della situazione professionale, l'insorgente afferma di essere tornata a vivere tutta la settimana con il marito nel Sopraceneri. Visti i tempi in cui sarebbe avvenuto, a ragione la Corte cantonale ha peraltro considerato tale asserito ricongiungimento come un espediente adottato per puri fini di causa. È poi altresì vero che dagli interrogatori degli interessati, sentiti separatamente, emergono discrepanze su aspetti importanti della loro frequentazione e della vita dell'altro coniuge. Ad esempio non coincidono l'anno in cui essi si sarebbero conosciuti, il periodo in cui la ricorrente ha assunto la gerenza di un bar a Lugano e i giorni della settimana in cui il marito renderebbe visita alla moglie, dovendosi già recare a Lugano per sottoporsi a dialisi. Va infine rilevato che queste circostanze ed incongruenze fanno seguito ad una situazione prematrimoniale quantomeno singolare.
2.4 Sulla base delle considerazioni che precedono - e rinviando per il resto alle pertinenti argomentazioni della sentenza impugnata (cfr. art. 109 cpv. 3 LTF) - va concluso che, confermando la revoca del permesso di dimora della ricorrente, il Tribunale amministrativo ticinese non ha violato né il diritto federale né alcun trattato internazionale. In effetti, anche ammesso che il matrimonio non sia stato contratto semplicemente per eludere le prescrizioni in materia di soggiorno degli stranieri, e quindi che non si tratti di un'unione fittizia, ricorrono in ogni caso gli estremi dell'abuso di diritto, in quanto il connubio esiste ormai solo formalmente.
3. Manifestamente infondato, il gravame va pertanto respinto secondo la procedura semplificata dell'art. 109 LTF. Visto che l'impugnativa era sin dall'inizio priva di ogni possibilità di successo, anche la domanda di assistenza giudiziaria e gratuito patrocinio deve essere respinta (art. 64 LTF). Le spese giudiziarie vanno poste a carico della ricorrente, secondo soccombenza (art. 66 cpv. 1 e 65 LTF). Non si assegnano ripetibili ad autorità vincenti intervenute in causa nell'esercizio delle loro attribuzioni ufficiali (art. 68 cpv. 3 LTF).
Per questi motivi, visto l'art. 109 LTF, il Tribunale federale pronuncia:
1. Nella misura in cui è ammissibile, il ricorso è respinto.
2. La domanda di assistenza giudiziaria è respinta.
3. Le spese giudiziarie di fr. 1'500.-- sono poste a carico della ricorrente.
4. Comunicazione al patrocinatore della ricorrente, alla Sezione dei permessi e dell'immigrazione, al Consiglio di Stato, al Tribunale amministrativo del Cantone Ticino e all'Ufficio federale della migrazione.