Sachverhalt:
A. X._ (geb. 1961) und Y._ (geb. 1976) haben am 5. Februar 2002 geheiratet. Sie sind die Eltern der Tochter Z._ (geb. 2004). Nachdem die Parteien den gemeinsamen Haushalt aufgehoben hatten, wurde das Getrenntleben gerichtlich geregelt. Am 7. Mai 2008 stellten die Ehegatten dem Bezirksgericht Zürich ein gemeinsames Scheidungsbegehren. Anlässlich des zweiten Hauptverhandlungstermins vom 23. Juni 2009 beantragte Y._ zudem vorsorgliche Massnahmen. Am 13. Oktober 2009 entschied der Einzelrichter am Bezirksgericht Zürich sowohl über die Scheidung als auch über die beantragten Massnahmen. Im Rahmen der vorsorglichen Massnahmen verpflichtete er X._, ab 1. Januar 2010 für die Dauer des Scheidungsverfahrens Fr. 1'500.-- (zuzüglich Kinderzulagen) an den Unterhalt der Tochter und Fr. 3'000.-- an denjenigen der Mutter zu bezahlen.
B. X._ erhob am 2. November 2009 Rekurs gegen die Verfügung im Massnahmeverfahren und beantragte, die Begehren um Bezahlung von Unterhaltsbeiträgen an die Ehefrau und das Kind seien abzuweisen. Mit Beschluss vom 21. Juli 2010 änderte das Obergericht des Kantons Zürich das erstinstanzliche Urteil insofern ab, als der Kindesunterhalt von Fr. 1'500.-- (zuzüglich Kinderzulagen) erst ab 1. Oktober 2010 für die weitere Dauer des Scheidungsverfahrens geschuldet sei; hinsichtlich des Ehegattenunterhalts setzte das Obergericht einen ab 1. Oktober 2010 geschuldeten Betrag von Fr. 1'200.-- fest; ab 1. Juli 2011 schuldet der Ehemann monatlich Fr. 3'000.--.
Das Urteil im Scheidungsverfahren hat X._ ebenfalls angefochten, worauf Y._ Anschlussberufung erhob. Die Berufungsverhandlung hat am 24. August 2010 stattgefunden; der Entscheid des Obergerichts steht noch aus.
C. Mit als "Bundesgerichtliche Beschwerde" bezeichneter Eingabe vom 26. August 2010 gelangt X._ (nachfolgend Beschwerdeführer) an das Bundesgericht und beantragt, die Begehren um Bezahlung von Unterhaltsbeiträgen an Frau und Kind abzuweisen; sodann sei festzustellen, dass er nicht in der Lage sei, ein hypothetisches Einkommen zu erzielen, alles unter Kosten- und Entschädigungsfolgen. Ferner ersucht er um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege sowie um Sistierung des Verfahrens bis der Entscheid im Scheidungsverfahren vorliege.
Mit Verfügung vom 3. September 2010 hat die Präsidentin der II. zivilrechtlichen Abteilung das Gesuch um aufschiebende Wirkung abgewiesen.
Es wurden keine Vernehmlassungen eingeholt.

Erwägungen:
1. 1.1 Entscheide gestützt auf <ref-law> betreffen Zivilsachen im Sinn von <ref-law>. Der angefochtene Entscheid ist kantonal letztinstanzlich (<ref-law>), und er schliesst das Massnahmeverfahren als selbständiges Verfahren ab, weshalb er als Endentscheid im Sinn von <ref-law> gilt (<ref-ruling> E. 2.2 S. 431; mit ausführlicher Begründung: Urteil 5A_9/2007 vom 20. April 2007 E. 1.2). Angefochten ist einzig die Unterhaltsfrage, weshalb die Streitigkeit vermögensrechtlicher Natur ist; der gemäss <ref-law> erforderliche Streitwert von Fr. 30'000.-- ist erreicht. Die Beschwerde in Zivilsachen ist somit gegeben.
1.2 Weil es sich bei den auf <ref-law> gestützten Entscheiden um vorsorgliche Massnahmen im Sinn von <ref-law> handelt (<ref-ruling> E. 5.1 S. 397), kann nur die Verletzung verfassungsmässiger Rechte gerügt werden. Hierfür gilt das strenge Rügeprinzip (<ref-law>). Das bedeutet, dass das Bundesgericht nur klar und detailliert erhobene und soweit möglich belegte Rügen prüft, während es auf ungenügend begründete Rügen und rein appellatorische Kritik am angefochtenen Entscheid nicht eintritt. Wird die Verletzung des Willkürverbots gerügt, reicht es sodann nicht aus, die Rechtslage aus Sicht des Beschwerdeführers darzulegen und den davon abweichenden angefochtenen Entscheid als willkürlich zu bezeichnen; vielmehr ist im Einzelnen darzulegen, inwiefern das kantonale Gericht willkürlich entschieden haben soll und der angefochtene Entscheid deshalb an einem qualifizierten und offensichtlichen Mangel leidet (<ref-ruling> E. 2.2 S. 246). Diese Grundsätze gelten insbesondere auch für die Rüge der Willkür in der Sachverhaltsfeststellung (Botschaft, BBl 2001 IV 4338; <ref-ruling> E. 1.2.2 S. 252; <ref-ruling> E. 7.1 S. 398).
1.3 Neue Tatsachen und Beweismittel dürfen nur soweit vorgebracht werden, als der Entscheid der Vorinstanz dazu Anlass gibt, was in der Beschwerde darzulegen ist (<ref-law>; BGE <ref-ruling> E. 3 S. 395 mit Hinweis). Zur Dokumentation neuer Tatsachen reicht der Beschwerdeführer zahlreiche Unterlagen ein, im Wesentlichen mit der Begründung, die Nichtbeachtung derselben führe zu einem Leerlauf, denn er müsste umgehend um Abänderung der vorsorglichen Massnahmen ersuchen.
Die allfällige Möglichkeit, vorliegend ein Abänderungsverfahren gemäss <ref-law> anzustrengen, rechtfertigt keine Ausnahme von <ref-law>. Selbst wenn es zutrifft, dass ein strenges Novenrecht gerade in Fällen mit dynamischen Sachverhalten zu Ergebnissen führen kann, die nicht mit der materiellen Wahrheit übereinstimmen, ist das Bundesgericht verpflichtet, seinem Urteil denjenigen Sachverhalt zugrunde zu legen, den die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>); für eine Ergänzung desselben oder für die Würdigung neuer Beweismittel bleibt - ausserhalb der in <ref-law> vorgesehenen, vorliegend offensichtlich nicht erfüllten Voraussetzungen - kein Platz. Die der vorliegenden Beschwerde beigelegten Beweismittel, namentlich auch diejenigen, die der Beschwerdeführer mit seiner Berufung gegen das Scheidungsurteil eingereicht hat, bleiben demnach unbeachtlich.
1.4 Der Beschwerdeführer beantragt, es sei festzustellen, dass er nicht in der Lage sei, ein hypothetisches Einkommen zu erzielen. Nach ständiger Rechtsprechung setzt die Einreichung eines Rechtsmittels grundsätzlich ein aktuelles und praktisches Rechtsschutzinteresse im Sinne einer Eintretensvoraussetzung voraus (<ref-law>), das, soweit es den Sachverhalt betrifft, vom Beschwerdeführer nachzuweisen ist. Von hier nicht relevanten Ausnahmen abgesehen mangelt einem Feststellungsbegehren ein praktisches Rechtsschutzinteresse, wenn ein (Leistungs-)Begehren zur Verfügung steht, mit dem ein vollstreckbares Urteil erwirkt werden kann (s. Urteil 5A_349/2009 vom 23. Juni 2009 E. 2.4).
Die Frage, ob der Beschwerdeführer Unterhaltsleistungen zu erbringen hat, hängt unter anderem davon ab, ob ihm ein hypothetisches Einkommen angerechnet werden darf. Das ist denn auch Hauptgegenstand des vorliegenden Verfahrens. Der Beschwerdeführer hat diesbezüglich ein (negatives) Leistungsbegehren gestellt. Ein darüber hinausgehendes Interesse an der beantragten Feststellung wird nicht geltend gemacht und ist auch nicht ersichtlich, weshalb auf das Feststellungsbegehren nicht einzutreten ist.
2. Der Beschwerdeführer beanstandet einzig, es könne ihm kein hypothetisches Einkommen angerechnet werden.
2.1 Soweit erforderlich trifft das Gericht die für die Dauer des Scheidungsverfahrens notwendigen vorsorglichen Massnahmen (<ref-law>). Die Höhe des Unterhaltsbeitrages richtet sich nach den Bedürfnissen der Ehegatten sowie nach den persönlichen Umständen, das heisst nach der Lebensstellung und Leistungsfähigkeit (<ref-law>). Bei der Berechnung der Leistungsfähigkeit ist in erster Linie vom effektiven Nettoeinkommen auszugehen, soweit dieses auch dem entspricht, was in guten Treuen beziehungsweise bei gutem Willen als Einkommen erzielt werden kann; andernfalls ist ein hypothetisches Einkommen hinzuzurechnen (eingehend: <ref-ruling> E. 4a S. 5 f. mit Hinweisen). Ob dem Beschwerdeführer ein hypothetisches Einkommen in der angenommenen Höhe zugemutet werden kann, ist Rechtsfrage; ob dessen Erzielung auch als tatsächlich möglich erscheint, ist hingegen Tatfrage, die durch entsprechende Feststellungen oder durch die allgemeine Lebenserfahrung beantwortet wird (<ref-ruling> E. 4c/bb S. 7; <ref-ruling> E. 2b S. 12); auch letzterenfalls müssen aber jene Tatsachen als vorhanden festgestellt sein, die eine Anwendung von Erfahrungssätzen überhaupt erst ermöglichen (vgl. KUMMER, Grundriss des Zivilprozessrechts, 4. Aufl. 1984, S. 225 f.).
2.2 Das Obergericht erwog, dass der Beschwerdeführer, der viel Zeit gehabt habe, sich um eine Stelle zu bemühen, per 1. Oktober 2010 in den Bereichen Kredit-/Versicherungsgewerbe, Informatik (Dienstleistungen für Unternehmen) oder Unterrichtswesen u.Ä. mit dem relativ tiefen Anforderungsniveau 3 eine Stelle antreten und dabei netto Fr. 6'500.-- verdienen könne. In der Folge sei es ihm möglich, seine berufliche Position zu verbessern und ab Juli 2011 Fr. 8'500.-- zu verdienen.
Grundlage für diese Schlussfolgerungen waren folgende Feststellungen: Der Beschwerdeführer behaupte, in den Jahren 2002/2003 rund zweihundert und in den Jahren 2006 und 2008 je drei Bewerbungen versandt und für jede eine Absage erhalten zu haben, wofür es allerdings keine Belege gebe. Die Stellenbewerbungen ab Februar 2009 zeigten demgegenüber, dass sich der Beschwerdeführer vielfach um Stellen bemühe, deren Anforderungsprofil er nicht erfülle oder für die er unterqualifiziert erscheine. Beispielhaft erwähnt das Obergericht eine Bewerbung als Leiter Infrastruktur Delivery, Mitglied der Geschäftsleitung, die nach Auffassung des Beschwerdeführers seinen Fähigkeiten entspräche. Der Inhaber jener Stelle führe 10 Teams mit ca. 150 Mitarbeitenden; es handle sich offensichtlich um eine Stelle in leitender Position. Der Inhaber sei auf einer höheren Hierarchiestufe anzusiedeln und das entsprechende Gehalt liege weit über dem hypothetischen Einkommen, das ihm der erstinstanzliche Richter angerechnet habe. Es liege daher auf der Hand, dass der Beschwerdeführer, der sich selber darauf berufe, über keine vertiefte Berufserfahrung zu verfügen, keine reelle Chance hatte, die erwähnte Stelle zu erhalten. Folglich seien die Zweifel des erstinstanzlichen Richters an der Ernsthaftigkeit der Bewerbungen berechtigt. Auch im Rekursverfahren habe es der Beschwerdeführer unterlassen, weitere Belege einzureichen, die geeignet wären, die entstandenen Zweifel zu beseitigen.
Wohl habe die Sozialbehörde der Stadt Zürich mit Schreiben vom 12. August 2009 bestätigt, dass der Beschwerdeführer den Anforderungen der Sozialen Dienste zur Stellensuche nachkomme und alles Zumutbare unternehme, um sich aus seiner aktuellen Notlage zu befreien. Die Bestätigung stehe im Zusammenhang mit der dem Gesuchsteller gestützt auf das Sozialhilfegesetz bewilligten wirtschaftlichen Hilfe. Beim Entscheid über die wirtschaftliche Hilfe sei indes nicht relevant, ob der Gesuchsteller für den Lebensunterhalt der von ihm getrennt lebenden Familienangehörigen aufkommen könne. Sodann werde einem Gesuchsteller die Hilfe nicht generell verweigert, sondern nur und erst dann gekürzt, wenn er eine ihm zugewiesene zumutbare Arbeit nicht annehme. Für den Begriff der zumutbaren Arbeit werde die Umschreibung im Arbeitslosenversicherungsgesetz herangezogen. Danach sei die Arbeit u.a. dann unzumutbar, wenn sie auf die Fähigkeiten oder auf die bisherige Tätigkeit des zu Unterstützenden nicht angemessen Rücksicht nehme. Indessen seien im Zivilrecht die Anforderungen an den Nachweis genügender Bemühungen um eine Arbeitsstelle nicht mit denjenigen im Verwaltungsverfahren identisch. Wohl bilde die Ausrichtung von Arbeitslosengeldern ein Indiz für tatsächliche, erfolglos gebliebene Bewerbungen. Der Nachweis für genügende Bemühungen sei damit aber noch nicht erbracht. Selbst wenn die Bemühungen im Verwaltungsverfahren als genügend erachtet werden, sei diese Einschätzung für den Zivilrichter, der über Unterhaltsansprüche zu befinden habe, nicht verbindlich. Es sei kein Grund ersichtlich, weshalb es sich anders verhalten sollte mit Bezug auf Stellensuchende, die keinen Anspruch (mehr) auf Arbeitslosenentschädigung haben und wirtschaftliche Hilfe nach Sozialhilfegesetz beanspruchen. Von Erwerbslosen mit familienrechtlichen Unterhaltspflichten, insbesondere solchen gegenüber Kindern, könnten höhere Anstrengungen bei der Stellensuche verlangt werden. Der Beschwerdeführer habe sich deshalb ernsthaft auch um Stellen mit einem - gemessen an seiner Ausbildung - tieferen Anforderungsprofil in untergeordneter Funktion auf einer unteren oder mittleren Hierarchiestufe zu bewerben. Für solche Stellen lägen keine Bewerbungen vor und der Beschwerdeführer habe auch nicht behauptet, dass er sich auf solche Stellen beworben hätte. Schliesslich gebe es auch keine Hinweise dafür, dass die Sozialbehörde dem Beschwerdeführer eine Stelle zugewiesen oder ihn dazu angehalten habe, sich für Stellen mit einem tieferen Anforderungsprofil, ohne Leitungsfunktion, auf einer untergeordneten Stufe, zu bewerben. Aus all diesen Gründen könne er aus der Bestätigung der Sozialbehörde nichts zu seinen Gunsten ableiten.
Schliesslich erwog das Obergericht, der Beschwerdeführer sei neunundvierzig Jahre alt, habe keine gesundheitlichen Probleme, verfüge anerkanntermassen über eine gute bzw. eine sehr gute, weit überdurchschnittliche Ausbildung sowie breite berufliche Erfahrungen. Insgesamt liege kein Grund zur Annahme vor, er könne bei genügenden Anstrengungen keine Stelle finden; jedenfalls stellten die Misserfolge bei den Bewerbungen um Stellen in leitender Funktion auf einer oberen Hierarchiestufe in Hinblick auf eine Anstellung im soeben geschilderten Rahmen kein entscheidendes Hindernis dar.
2.3 Der Sache nach bestreitet der Beschwerdeführer, das zugemutete Einkommen überhaupt erzielen zu können. Diese Tatfrage kann nur mittels Willkürrüge (<ref-law>) beanstandet werden; es gilt das Rügeprinzip (vgl. E. 1.2).
Der Beschwerdeführer erachtet es als willkürlich, wenn ihm vom Zivilrichter vorgehalten werde, er sei in der Lage, ein hohes monatliches Einkommen zu erzielen, während ihm gleichzeitig von Seiten des Sozialamtes attestiert werde, dass er "alles Zumutbare [unternehme], um sich aus einer aktuellen Notlage zu befreien". Die Mitarbeiter von Sozialämtern könnten besser beurteilen als ein Richter, ob ein Sozialhilfeempfänger das System missbrauche oder nicht, denn diese betreuten Sozialhilfeempfänger über einen längeren Zeitraum und müssten sich ständig mit der Frage beschäftigen, ob sich der Stellenlose richtig bewerbe.
Der Einwand, die Bestätigung des Sozialamtes belege, dass der Beschwerdeführer das System nicht missbrauche, trifft insofern ins Leere als ihm das Obergericht nichts Derartiges vorwirft. Es hat lediglich festgestellt, dass er sich bisher nicht um Stellen beworben habe, die seinen Qualifikationen entsprächen, und forderte ihn auf, sich zukünftig für Stellen mit tieferem Anforderungsprofil, ohne Leitungsfunktion und auf untergeordneter Stufe zu bewerben. Unter Berücksichtigung dieses Aspektes hat das Obergericht dem Beschwerdeführer gleichsam eine Übergangsfrist gewährt, indem es das hypothetische Einkommen erst ab dem 1. Oktober 2010, d.h. zwei Monate nach seinem eigenen Urteil, anrechnet.
Mit den Erwägungen des Obergerichts, wonach die fragliche Bestätigung nur attestiere, dass er die Anforderungen der Sozialbehörde bei der Stellensuche erfüllt habe und im Zivilrecht andere Massstäbe gelten als im Arbeitslosenversicherungs- bzw. Sozialhilferecht, setzt sich der Beschwerdeführer nicht auseinander. Ebenso wenig widerspricht er der Feststellung, es gebe keine Belege dafür, dass er sich für Stellen mit einem tieferen Anforderungsprofil, ohne Leitungsfunktion und auf einer untergeordneten Stufe beworben habe bzw. seine Bewerbungen fruchtlos verlaufen seien. Das Obergericht hat zudem - unter Hinweis auf Arbeitsmarktstatistiken des Bundesamtes für Statistik, auf die Überlegungen des erstinstanzlichen Richters sowie auf die Zürcher "Integrationsempfehlung Basisbeschäftigung an die Sozialen Dienste" - einlässlich begründet, weshalb der Beschwerdeführer in den Bereichen Kredit-/Versicherungsgewerbe, Informatik (Dienstleistungen für Unternehmen) oder Unterrichtswesen u.Ä. mit dem relativ tiefen Anforderungsniveau 3 eine Stelle finden und dabei netto Fr. 6'500.-- verdienen und weshalb er sich im Verlaufe der folgenden neun Monate verbessern könne. Auch damit setzt sich der Beschwerdeführer nicht auseinander.
Insgesamt erweist sich der Vorwurf, die tatsächliche Feststellung, wonach der Beschwerdeführer in der Lage sei, das zugemutete Einkommen zu erzielen, sei willkürlich, als unbegründet.
3. Nach dem Gesagten ist die Beschwerde abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann. Der Beschwerdeführer unterliegt und wird kostenpflichtig (<ref-law>). Sein Gesuch um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege für das bundesgerichtliche Verfahren ist wegen offensichtlich mangelnder Erfolgsaussichten abzuweisen (<ref-law>). Eine Parteientschädigung ist nicht geschuldet, da die Beschwerdegegnerin nicht zu einer Vernehmlassung aufgefordert wurde (Art. 68 Abs. 1 und 2 BGG).
Mit dem heutigen Entscheid wird das Sistierungsbegehren gegenstandslos.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf eingetreten werden kann.
2. Das Gesuch um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Mit dem Entscheid in der Sache wird das Sistierungsgesuch gegenstandslos.
4. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 12. Januar 2011
Im Namen der II. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Der Gerichtsschreiber:
Hohl Schwander