Sachverhalt:
A. Am 1. März 2008 trennten sich A._ und X._ nach einjähriger Liebesbeziehung. A._ zog vorübergehend zu ihrer Cousine. X._ versuchte mehrfach, A._ zur Rückkehr zu bewegen. Er drohte, ihre Schwester und ihren Schwager zu töten. Am Abend des 8. März begab er sich zur Wohnung der Cousine. Deren Ehemann B._ versuchte vergeblich, ihn wegzuschicken. Schliesslich kam A._ zusammen mit ihrer Cousine herbei und erklärte X._, sie wolle nicht mehr zu ihm zurückkehren. X._ verabschiedete sich, klingelte aber wenige Minuten später erneut. Wiederum öffnete B._ die Haustüre. Beim anschliessenden verbalen Streit setzte dieser einen Pfefferspray ein. X._ zog seine Pistole aus dem Hosenbund und schoss viermal auf B._, welcher lebensgefährlich verletzt zu Boden fiel. X._ entfernte sich, kehrte aber wieder zurück und tötete B._ mit einem Schuss in den Hinterkopf.
Die Staatsanwaltschaft legt X._ in der Anklageschrift vom 19. Mai 2009 zur Last, er habe B._ ermordet. Ausserdem habe er mehrfach eine Schusswaffe und Munition ohne Berechtigung auf sich getragen und ein geleastes Fahrzeug veruntreut. Dieses habe er im Juli 2007 entgegen den vertraglichen Bestimmungen mit der Leasinggesellschaft an eine Drittperson verkauft.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 12. Februar 2010 wegen Mordes, mehrfachen Vergehens gegen das Waffengesetz und Veruntreuung zu einer Freiheitsstrafe von 15 Jahren. Das Kassationsgericht wies die Nichtigkeitsbeschwerde von X._ mit Beschluss vom 6. Juni 2011 ab, soweit es darauf eintrat. Mit Zirkulationsbeschluss vom 20. Juli 2011 trat es auf die Nichtigkeitsbeschwerde der Staatsanwaltschaft nicht ein.
C. X._ erhebt mit Eingaben vom 12. Mai 2010 und 10. Juli 2011 Beschwerde in Strafsachen und subsidiäre Verfassungsbeschwerde gegen die Urteile des Obergerichts und des Kassationsgerichts. Er beantragt, die angefochtenen Urteile seien aufzuheben, und die Sache sei an die Vorinstanzen zurückzuweisen, unter Kosten- und Entschädigungsfolgen zulasten der Staatsanwaltschaft. Er stellt ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung.
D. Die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich führt gegen das Urteil des Obergerichts ebenfalls Beschwerde in Strafsachen (Verfahren 6B_515/2011).

Erwägungen:
1. Mit Beschwerde in Strafsachen gemäss Art. 78 ff. BGG kann grundsätzlich jede Rechtsverletzung geltend gemacht werden, die bei der Anwendung von materiellem Strafrecht oder Strafprozessrecht begangen wird (<ref-ruling> E. 1.4.3 S. 41). Dies gilt auch für die Verletzung von Verfassungsrecht (Art. 95 BGG). Die subsidiäre Verfassungsbeschwerde ist somit ausgeschlossen (Art. 113 BGG; Urteil 6B_99/2007 vom 30. Mai 2007 E. 1 mit Hinweisen). Soweit der Beschwerdeführer dieses Rechtsmittel erhebt, ist die Eingabe als Beschwerde in Strafsachen entgegenzunehmen.
2. Der Beschwerdeführer rügt die Verletzung seiner Verteidigungsrechte in mehrfacher Hinsicht.
2.1 Nach der Praxis des Bundesgerichtes zu Art. 32 Abs. 2 und Art. 29 Abs. 3 BV hat der amtlich verteidigte Beschuldigte einen grundrechtlichen Anspruch auf sachkundige, engagierte und effektive Wahrnehmung seiner Parteiinteressen. Wird von den Behörden untätig geduldet, dass der amtliche Verteidiger seine anwaltlichen Berufs- und Standespflichten zum Nachteil des Angeschuldigten in schwerwiegender Weise vernachlässigt, kann darin eine Verletzung der von Verfassung und EMRK gewährleisteten Verteidigungsrechte liegen.
Zu den Pflichten des amtlichen Verteidigers gehört es, die Verteidigungsstrategie zu bestimmen, namentlich indem er Beweisanträge zu einem bestimmten Zeitpunkt stellt, Tatsachen hervorhebt, Schlüsse daraus zieht und das Plädoyer erarbeitet. Soweit es um diese Fragen geht, kann von einer offensichtlichen Verletzung der Verteidigungsrechte keine Rede sein. Denn es ist nicht möglich, bereits zu Prozessbeginn die Erfolgsaussichten der gewählten Taktik zu bestimmen. Die strategischen Entscheidungen hängen von zahlreichen Faktoren ab, welche dem Verteidiger einen grossen Ermessensspielraum eröffnen und von den Behörden nicht überprüft werden können (<ref-ruling> E. 3d S. 198 ff. mit Hinweisen).
Zu den Pflichten des amtlichen Verteidigers gehört es, die Verteidigungsstrategie zu bestimmen, namentlich indem er Beweisanträge zu einem bestimmten Zeitpunkt stellt, Tatsachen hervorhebt, Schlüsse daraus zieht und das Plädoyer erarbeitet. Soweit es um diese Fragen geht, kann von einer offensichtlichen Verletzung der Verteidigungsrechte keine Rede sein. Denn es ist nicht möglich, bereits zu Prozessbeginn die Erfolgsaussichten der gewählten Taktik zu bestimmen. Die strategischen Entscheidungen hängen von zahlreichen Faktoren ab, welche dem Verteidiger einen grossen Ermessensspielraum eröffnen und von den Behörden nicht überprüft werden können (<ref-ruling> E. 3d S. 198 ff. mit Hinweisen).
2.2 2.2.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, weder die Staatsanwaltschaft noch sein früherer Verteidiger hätten eine Untersuchung des Pfeffersprays beantragt. Auch das Obergericht habe keine solche angeordnet, obwohl dies zur Klärung des Sachverhalts erforderlich gewesen wäre. Das Kassationsgericht verletze seine richterliche Fürsorgepflicht (Beschwerde S. 16 ff.).
2.2.2 Der Beschwerdeführer zeigt keine krassen und offensichtlichen Pflichtverletzungen in der amtlichen Verteidigung auf (vgl. zu Beispielen schwerer Pflichtverletzung <ref-ruling> E. 3d S. 199 mit Hinweisen). Ob sein Rechtsvertreter eine Analyse des Sprays verlangte, lag in dessen Ermessensspielraum. Dass das Kassations- und das Obergericht ihrerseits von entsprechenden Beweiserhebungen absahen, verletzt die Verteidigungsrechte ebensowenig.
2.2.2 Der Beschwerdeführer zeigt keine krassen und offensichtlichen Pflichtverletzungen in der amtlichen Verteidigung auf (vgl. zu Beispielen schwerer Pflichtverletzung <ref-ruling> E. 3d S. 199 mit Hinweisen). Ob sein Rechtsvertreter eine Analyse des Sprays verlangte, lag in dessen Ermessensspielraum. Dass das Kassations- und das Obergericht ihrerseits von entsprechenden Beweiserhebungen absahen, verletzt die Verteidigungsrechte ebensowenig.
2.3 2.3.1 Der Beschwerdeführer rügt, das Kassationsgericht verletze seine Verteidigungsrechte auch in Bezug auf das psychiatrische Gutachten. Der Gutachter habe keine Kenntnis über die Auswirkungen des Pfeffersprayangriffs gehabt. Seine Feststellung, wonach die Folgen der Pfeffersprayattacke beim letzten Schuss keine Rolle mehr gespielt haben, hätte er in Bezug auf die psychischen Folgen näher ausführen und begründen müssen. Das Gutachten sei derart offensichtlich mangelhaft, dass von Amtes wegen ein ergänzendes Gutachten hätte eingeholt werden müssen. Weder das Obergericht, die Staatsanwaltschaft noch der damalige Verteidiger hätten ein solches beantragt (Beschwerde S. 18 ff.).
2.3.2 Das Kassationsgericht erwägt, der Gutachter unterteile die Handlung in zwei Abschnitte. Er lege dar, dass die Rückkehr an den Tatort eine gedankliche Planung voraussetze. Der Beschwerdeführer habe den Tatablauf beim fünften Schuss "zielgerichtet gestaltet", während die ersten Schüsse eher als reflexartige Reaktion erfolgt seien. Die Erkenntnis des Gutachters, der Schrecken über die "Tränengasattacke", die dabei erlittenen Schmerzen und die Sehstörungen hätten beim letzten Schuss keine Rolle gespielt und dieser sei nicht unbeabsichtigt erfolgt, sei haltbar. Es sei nicht ersichtlich, weshalb die beantragten Erklärungen des Gutachters zu seinen Kenntnissen über die Wirkung von Tränengas relevant sein sollten (Urteil des Kassationsgerichts S. 17 f.).
2.3.3 Der Beschwerdeführer vermag mit seinen Ausführungen nicht aufzuzeigen, dass das Kassations- und das Obergericht seine Verteidigungsrechte ungenügend gewahrt hätten. Die gutachterliche Feststellung stützt sich auf die kognitiven und motorischen Leistungen, welche erforderlich waren, um an den Ort des Geschehens zurückzukehren und ein letztes Mal zu schiessen (Gutachten S. 82). Damit bringt der Gutachter zum Ausdruck, dass der erste Schrecken des Beschwerdeführers verflogen und der Pfefferspray für die zweite Phase nicht mehr bestimmend war, selbst wenn das Reizgas nach dreissig Sekunden immer noch gewisse Auswirkungen hatte. Es drängten sich keine weiteren Abklärungen auf, welche von Amtes wegen vorzunehmen gewesen wären. Die Rüge erweist sich als unbegründet.
3. Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz eine willkürliche Beweiswürdigung (Art. 9 BV) sowie die Verletzung des rechtlichen Gehörs (Art. 29 Abs. 2 BV) vor.
3.1 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Die Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig 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; vgl. auch Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von Art. 97 Abs. 1 BGG ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 2.4 S. 313 f. mit Hinweis; vgl. zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen).
Der Grundsatz des rechtlichen Gehörs nach Art. 29 Abs. 2 BV garantiert den betroffenen Personen ein persönlichkeitsbezogenes Mitwirkungsrecht. Sie sollen sich vor Erlass des Entscheids zur Sache äussern, erhebliche Beweise beibringen, an der Erhebung von Beweisen mitwirken oder sich zumindest zum Beweisergebnis äussern können. Die Behörde ist grundsätzlich verpflichtet, die ihr angebotenen Beweismittel abzunehmen, wenn sie zur Abklärung des Sachverhalts tauglich erscheinen. Sie muss die Vorbringen der Parteien tatsächlich hören, prüfen und in der Entscheidfindung berücksichtigen. Die Begründung muss deshalb zumindest kurz die wesentlichen Überlegungen nennen, von denen sich das Gericht hat leiten lassen und auf die es seinen Entscheid stützt. Dagegen wird nicht verlangt, dass sich die Begründung mit allen Parteistandpunkten einlässlich auseinandersetzt und jedes einzelne Vorbringen ausdrücklich widerlegt (vgl. <ref-ruling> E. 3.2 S. 270 mit Hinweisen).
Wird die Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der willkürlichen Anwendung von kantonalem Recht und Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) gerügt, gelten qualifizierte Anforderungen an die Begründung. Eine solche Rüge prüft das Bundesgericht nicht von Amtes wegen, sondern nur, wenn sie in der Beschwerde vorgebracht und substanziiert begründet worden ist. Das bedeutet, dass klar und detailliert anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheids darzulegen ist, inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt worden sein sollen (Art. 106 Abs. 2 BGG; <ref-ruling> E. 1.3.1 S. 68 mit Hinweisen).
3.2 Soweit der Beschwerdeführer eine Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör geltend macht, ohne seine Rügen näher zu substanziieren (Beschwerde S. 15, S. 16, S. 18, S. 21), ist darauf nicht einzutreten. Ebenfalls nicht einzutreten ist auf die Rügen, mit welchen der Beschwerdeführer sinngemäss eine Verletzung kantonalen Prozessrechts hinsichtlich der vorinstanzlichen Prüfungsbefugnis geltend macht (z.B. das Kassationsgericht äussere sich zu Unrecht zum Notwehrexzess) oder den vorinstanzlichen Sachverhalt ergänzt, ohne Willkür darzulegen (z.B. Beschwerde S. 15 f. zur Frage, ob er bei seinem Weggang vom Tatort wusste, dass sein Opfer kampfunfähig war; vgl. E. 3.1).
3.2 Soweit der Beschwerdeführer eine Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör geltend macht, ohne seine Rügen näher zu substanziieren (Beschwerde S. 15, S. 16, S. 18, S. 21), ist darauf nicht einzutreten. Ebenfalls nicht einzutreten ist auf die Rügen, mit welchen der Beschwerdeführer sinngemäss eine Verletzung kantonalen Prozessrechts hinsichtlich der vorinstanzlichen Prüfungsbefugnis geltend macht (z.B. das Kassationsgericht äussere sich zu Unrecht zum Notwehrexzess) oder den vorinstanzlichen Sachverhalt ergänzt, ohne Willkür darzulegen (z.B. Beschwerde S. 15 f. zur Frage, ob er bei seinem Weggang vom Tatort wusste, dass sein Opfer kampfunfähig war; vgl. E. 3.1).
3.3 3.3.1 Der Beschwerdeführer rügt, das Kassationsgericht setze sich mit seiner Rüge zur Wirkungsweise des eingesetzten Reizgases nicht auseinander. Das Obergericht habe einen Vergleich zwischen zwei Pfeffersprays angestellt, wovon der vom Opfer verwendete Wirkstoff unbekannt sei. Die darauf basierende Sachverhaltsfeststellung sei willkürlich und verletze seinen Anspruch auf rechtliches Gehör (Beschwerde S. 11 f.).
3.3.2 Das Kassationsgericht befasst sich mit den Ausführungen des Beschwerdeführers zum verwendeten Pfefferspray und legt dar, weshalb es diesen nicht folgt. Aus seinen Erwägungen geht hervor, dass nicht das Obergericht mehrere Pfeffersprays miteinander vergleicht, sondern der vom Beschwerdeführer eingereichte Zeitungsartikel (vgl. act. 33), in dem von einem "Reizstoffsprühgerät" als "stärkere militärische Version des Pfeffersprays" und dessen Wirkungsweise die Rede ist (Urteil des Kassationsgerichts S. 13 mit Hinweis auf das Urteil des Obergerichts S. 8 f.). Das Kassationsgericht setzt sich mit den Argumenten des Beschwerdeführers hinreichend auseinander und wahrt den Anspruch auf rechtliches Gehör. Die Rüge erweist sich als unbegründet.
3.3.2 Das Kassationsgericht befasst sich mit den Ausführungen des Beschwerdeführers zum verwendeten Pfefferspray und legt dar, weshalb es diesen nicht folgt. Aus seinen Erwägungen geht hervor, dass nicht das Obergericht mehrere Pfeffersprays miteinander vergleicht, sondern der vom Beschwerdeführer eingereichte Zeitungsartikel (vgl. act. 33), in dem von einem "Reizstoffsprühgerät" als "stärkere militärische Version des Pfeffersprays" und dessen Wirkungsweise die Rede ist (Urteil des Kassationsgerichts S. 13 mit Hinweis auf das Urteil des Obergerichts S. 8 f.). Das Kassationsgericht setzt sich mit den Argumenten des Beschwerdeführers hinreichend auseinander und wahrt den Anspruch auf rechtliches Gehör. Die Rüge erweist sich als unbegründet.
3.4 3.4.1 Der Beschwerdeführer rügt, das Obergericht sei von seiner subjektiven Schilderung zur Wirkung des Sprays ausgegangen, ohne seine Angst vor einem weiteren Angriff zu berücksichtigen. Eine Untersuchung des Pfeffersprays hätte ergeben, dass dieser auch auf die Psyche wirke und aggressives Verhalten, panikartige Reaktionen oder Furcht auslösen könne (Beschwerde S. 16 ff.).
3.4.2 Das Kassationsgericht stützt sich auf die Sachverhaltsfeststellungen des Obergerichts (angefochtenes Urteil S. 13). Danach habe der Beschwerdeführer gemäss seinen eigenen Angaben die Augen nach dem Einsatz des Pfeffersprays wieder öffnen können. Auch wenn seine Sicht in einem gewissen Grad behindert gewesen sei, habe er den Schatten des Opfers bei den ersten vier Schüssen gesehen (Urteil des Obergerichts S. 6 f., S. 9). Später habe er ein fünftes Mal auf das bäuchlings vor ihm liegende Opfer geschossen. Gemäss der Tatrekonstruktion des Wissenschaftlichen Dienstes der Stadtpolizei Zürich habe er von oben herab mitten auf den Hinterkopf des Opfers gezielt (Urteil des Obergerichts S. 7, S. 12 f.).
3.4.3 Die unabhängig von der Tatsituation verlangte Analyse der Wirkung des Pfeffersprays kann keinen Aufschluss über die konkrete Beeinträchtigung des Beschwerdeführers am Tatabend geben. So hängt der Effekt eines Pfeffersprays beispielsweise davon ab, ob und wieviel Reizgas eingeatmet wird, ob der Betroffene den Atem anhält, das Gesicht wegdreht, es verdeckt, die Augen schliesst oder sich sonstwie schützt. Die Beweiswürdigung, welche auf die Aussagen des Beschwerdeführers und auf die medizinischen Untersuchungsergebnisse abstellt, wonach die Bindehäute unmittelbar nach der Verhaftung zwar wässrig, aber nicht gerötet waren, erweist sich als vertretbar (Urteil des Kassationsgerichts S. 13 f., S. 16 mit Verweis auf das Urteil des Obergerichts S. 10, S. 14). Somit ist von einer nicht starken Reizgaskontamination auszugehen (angefochtenes Urteil S. 16), welche angesichts der kurzen Schussdistanz nicht entscheidend war.
3.5 3.5.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, auch der fünfte Schuss sei eine Reaktion auf den Pfefferspray gewesen. Er sei in seiner Sicht behindert gewesen, habe aber auch Probleme mit seiner Atmung gehabt. Diese körperlichen Auswirkungen seien geeignet gewesen, ihn psychisch zu beeinflussen und aggressives Verhalten, Panik oder Furcht zu verstärken. Sie seien für seine Rückkehr zum Tatort wesentlich gewesen. Die neuen Vorbringen im Zusammenhang mit der Atmung seien gestützt auf Art. 116 und Art. 118 BGG zuzulassen (Beschwerde S. 13 f.).
3.5.2 Der Beschwerdeführer machte im kantonalen Verfahren Angaben zu den Auswirkungen des Pfeffersprays in Bezug auf sein Sehvermögen. Eine Beeinträchtigung seiner Atmung erwähnte er nach der Darstellung in der Beschwerde nicht. Auch in den angefochtenen Urteilen des Kassationsgerichts und des Obergerichts finden sich hierzu keine Ausführungen, weshalb diese nicht Ursache für die Noven sein können. Die neue Tatsachenbehauptung, er habe Atemprobleme gehabt, ist daher unzulässig (Art. 99 Abs. 1 BGG). Nicht massgeblich sind die vom Beschwerdeführer angerufenen Bestimmungen zur subsidiären Verfassungsbeschwerde (vgl. E. 1). Die kassationsgerichtliche Würdigung, es sei vertretbar, dass das Obergericht den fünften Schuss nicht als Reaktion auf den Pfefferspray werte, verletzt angesichts des körperlichen Zustands des Beschwerdeführers nach der Tat (vgl. E. 3.4.3) keine verfassungsmässigen Rechte (Art. 9 BV).
3.5.2 Der Beschwerdeführer machte im kantonalen Verfahren Angaben zu den Auswirkungen des Pfeffersprays in Bezug auf sein Sehvermögen. Eine Beeinträchtigung seiner Atmung erwähnte er nach der Darstellung in der Beschwerde nicht. Auch in den angefochtenen Urteilen des Kassationsgerichts und des Obergerichts finden sich hierzu keine Ausführungen, weshalb diese nicht Ursache für die Noven sein können. Die neue Tatsachenbehauptung, er habe Atemprobleme gehabt, ist daher unzulässig (Art. 99 Abs. 1 BGG). Nicht massgeblich sind die vom Beschwerdeführer angerufenen Bestimmungen zur subsidiären Verfassungsbeschwerde (vgl. E. 1). Die kassationsgerichtliche Würdigung, es sei vertretbar, dass das Obergericht den fünften Schuss nicht als Reaktion auf den Pfefferspray werte, verletzt angesichts des körperlichen Zustands des Beschwerdeführers nach der Tat (vgl. E. 3.4.3) keine verfassungsmässigen Rechte (Art. 9 BV).
3.6 3.6.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, es sei willkürlich, dass sowohl das Kassationsgericht als auch das Obergericht seine Aussage als lebensfremd erachteten, er sei aus Angst vor einem weiteren Angriff zum Opfer zurückgekehrt (Beschwerde S. 15 f.). Dabei werde nicht berücksichtigt, dass er mit einem Pfefferspray angegriffen worden sei. Aufgrund seiner eingeschränkten Sicht habe er nicht fliehen können. Ausserdem habe das Opfer ein Schlaginstrument bei sich gehabt. Im Zeitpunkt seiner Umkehr habe er noch nicht gewusst, dass sein Gegner kampfunfähig gewesen sei. Deshalb habe er sich mit seiner Waffe "aktiv gewehrt". Das Kassationsgericht setze sich mit seinen Rügen nicht auseinander.
3.6.2 Nach den Erwägungen des Kassationsgerichts verliess der Beschwerdeführer den Tatort, nachdem er aus einer kurzen Distanz mehrmals auf das Opfer geschossen hatte und es nicht verfehlen konnte (vgl. Urteil des Kassationsgerichts S. 14 f.; Urteil des Obergerichts S. 6 f., S. 9). Auch nach seiner Vorstellung musste er das Opfer schwer verletzt haben. Entgegen der Darstellung in der Beschwerde war es ihm möglich, sich unbehelligt kurzzeitig vom Tatort zu entfernen. In diesem Zeitpunkt war der Angriff durch das Opfer vorüber. Das Schlaginstrument sah der Beschwerdeführer nicht (Urteil des Kassationsgerichts S. 12). Weil das Opfer im Zeitpunkt der Umkehr des Beschwerdeführers nicht mehr auf diesen einwirkte, ist die Würdigung, die Angst vor einem weiteren Angriff sei nicht der Grund für die Rückkehr zum Tatort gewesen, vertretbar. Eine Verletzung des Willkürverbots ist nicht ersichtlich.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer bestreitet die rechtliche Würdigung des Tötungsdelikts. Es handle sich mangels besonderer Skrupellosigkeit nicht um einen Mord im Sinne von Art. 112 StGB. Er habe nicht aus reiner Rachelust und Wut gegenüber seiner früheren Freundin gehandelt. Die Schüsse seien eine Reaktion auf den unrechtmässigen Angriff mit dem Pfefferspray. Damit sei ein nachvollziehbares Motiv gegeben.
4.2 Eine vorsätzliche Tötung ist als Mord zu qualifizieren, wenn der Täter besonders skrupellos handelt, namentlich wenn sein Beweggrund, der Zweck der Tat oder die Art der Ausführung besonders verwerflich sind (Art. 112 StGB). Mord zeichnet sich nach der Rechtsprechung durch eine aussergewöhnlich krasse Missachtung fremden Lebens bei der Durchsetzung eigener Absichten aus. Für die Qualifikation verweist das Gesetz in nicht abschliessender Aufzählung auf äussere (Ausführung) und innere Merkmale (Beweggrund, Zweck). Diese müssen nicht (alle) erfüllt sein, um Mord anzunehmen. Sie sollen vermeiden helfen, dass allein auf die Generalklausel abgestellt werden muss. Die für eine Mordqualifikation konstitutiven Elemente sind jene der Tat selber, während Vorleben und Verhalten nach der Tat nur heranzuziehen sind, soweit sie tatbezogen sind und ein Bild der Täterpersönlichkeit ergeben. Entscheidend ist eine Gesamtwürdigung der äusseren und inneren Umstände der Tat. Eine besondere Skrupellosigkeit kann beispielsweise entfallen, wenn das Tatmotiv einfühlbar und nicht krass egoistisch war, so etwa wenn die Tat durch eine schwere Konfliktsituation ausgelöst wurde. Für Mord typische Fälle sind die Tötung eines Menschen zum Zwecke des Raubes, Tötungen aus religiösem oder politischem Fanatismus oder aus Geringschätzung (<ref-ruling> E. 1a S. 13 f. mit Hinweisen).
4.3 Das Ende der Beziehung zu A._ war für das Verhalten des Beschwerdeführers in der Woche vor der Tat sowie am Tatabend bestimmend. Er wollte seine Freundin um jeden Preis zurückgewinnen. Zu diesem Zweck drohte er unbestrittenermassen eine Bluttat an. Am Tatabend ging er in die Offensive. Er liess sich trotz der ablehnenden Haltung von A._ nicht abweisen. Die Waffe trug er bereits beim ersten Gespräch auf sich (Urteil des Obergerichts S. 7 bis S. 17, Urteil des Kassationsgerichts S. 10 ff.).
4.4 Die Rüge des Beschwerdeführers, das Obergericht berücksichtige die Pfeffersprayattacke zu wenig, geht fehl, weil es insbesondere deshalb den ersten Handlungsabschnitt noch nicht für die Mordqualifikation genügen lässt.
Auch wenn der Beschwerdeführer erst auf das Opfer schoss, als dieses den Pfefferspray einsetzte, ändert dies an der Würdigung des Tatmotivs nichts. Namentlich setzte er seine Todesdrohungen um, welche er im Hinblick auf das Beziehungsende mit A._ ausgestossen hatte. Auch als das schwer verletzte Opfer wehrlos am Boden lag, liess er nicht von diesem ab, sondern kehrte zurück und exekutierte es.
Angesichts der Tatumstände und des Tatmotivs durfte das Obergericht die Skrupellosigkeit und damit den Tatbestand des Mordes bejahen, ohne Bundesrecht zu verletzen.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege ist ebenfalls abzuweisen, weil die Beschwerde aussichtslos war (Art. 64 Abs. 1 BGG). Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG). Seinen angespannten finanziellen Verhältnissen ist bei der Bemessung der Gerichtskosten angemessen Rechnung zu tragen.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien, dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, und dem Kassationsgericht des Kantons Zürich schrift lich mitgeteilt.
Lausanne, 24. Januar 2012
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Koch