Sachverhalt:
A. Z._ ist der am xxxx 2007 geborene gemeinsame Sohn von Y._ (1963) und X._ (1969). In Verletzung der Verfügung des Court of Common Pleas of Centre County, Pennsylvania, vom 20. Dezember 2007 brachte die Mutter den Sohn Z._ anfangs 2008 nach einer für die Zeitspanne von zwei Wochen erlaubten Ausreise in die Schweiz nicht in die USA zurück.
Darauf stellte der Vater ein Gesuch um Rückführung des Kindes gemäss dem Haager Übereinkommen über die zivilrechtlichen Aspekte internationaler Kindesentführungen (HKÜ, SR 0.211.230.02). Mit Urteil vom 16. April 2009 verpflichtete das Bundesgericht die Mutter zur Rückgabe des Kindes unter gewissen Bedingungen (Garantien seitens der USA), die zur Zeit in Schwebe sind.
B. Im Anschluss an dieses Urteil sandte das Obergericht des Kantons Zürich mit Beschluss vom 21. April 2009 sowohl den Pass der Mutter als auch den Schweizer Pass des Kindes an deren Rechtsvertreterin zurück.
Mit Bezug auf den Kinderpass erhob X._ (Beschwerdeführer) gegen diesen Beschluss am 4. Mai 2009 Beschwerde in Zivilsachen. Er verlangt, der Schweizer Pass von Z._ sei Y._ (Beschwerdegegnerin) erst herauszugeben, wenn die von den USA verlangten Garantien nicht erhältlich seien, wenn Z._ erfolgreich in die USA zurückgeführt sei oder wenn eine schriftliche Zustimmung beider Parteien zur Herausgabe des Passes vorliege; eventuell sei die Sache zur Neubeurteilung an das Obergericht zurückzuweisen.
Mit Präsidialverfügung vom 6. Mai 2009 wurde die Rechtsvertreterin der Beschwerdegegnerin gestützt auf <ref-law> angewiesen, den Reisepass von Z._ beim Bundesgericht zu deponieren. Am 7. Mai 2009 übermachte die Beschwerdegegnerin den Pass dem Bundesgericht.
In ihrer Vernehmlassung vom 11. Mai 2009 verlangt die Beschwerdegegnerin, das Gesuch sei abzuweisen bzw. als gegenstandslos zu erklären. Das Obergericht hat auf eine Vernehmlassung verzichtet.
Beide Parteien verlangen die unentgeltliche Rechtspflege.
Der Fall wurde heute an einer öffentlichen Sitzung beraten.

Erwägungen:
1. Beim angefochtenen Akt handelt es sich um einen kantonal letztinstanzlichen Endentscheid (Art. 75 Abs. 1 sowie Art. 90 BGG), der in Ausführung des Haager Übereinkommens über die zivilrechtlichen Aspekte internationaler Kindesentführungen (HKÜ, SR 0.211.230.02) ergangen ist, das seinerseits in unmittelbarem Zusammenhang mit der Respektierung und Durchsetzung ausländischen Zivilrechts steht (Art. 72 Abs. 2 lit. b Ziff. 1 BGG; <ref-ruling>). Auf die Beschwerde in Zivilsachen ist somit einzutreten.
2. Der Beschwerdeführer macht geltend, bereits das Bezirksgericht Meilen habe die Hinterlegung der Pässe der Beschwerdegegnerin und des Sohnes verfügt; die erstinstanzliche Anweisung, dass die Pässe nach dem Urteil der Zentralbehörde zu übermachen seien, erweise sich aber (abgesehen davon, dass die Anordnung infolge der Rechtsmittel nie Gültigkeit erlangt habe) wegen fehlender Verfügungsmacht der Zentralbehörde als ungeeignet. Auch nach Rechtskraft des Rückführungsurteils dürfe der Pass aber nicht einfach herausgegeben werden, weil sonst die während des Verfahrens angeordnete Sicherungsvorkehr nachträglich wertlos werde, da zwischen Rückführungsurteil und tatsächlicher Rückreise mehrere Wochen verstreichen würden. Ihren eigenen Reisepass brauche die Beschwerdegegnerin für die bei der Botschaft beantragten Garantien bzw. für das neue Visum, weshalb dieser zu Recht herausgegeben worden sei. Demgegenüber sei sie auf den schweizerischen Kinderpass nicht angewiesen, umso weniger als Z._ aufgrund der amerikanischen Gesetzgebung ohnehin nur mit seinem amerikanischen Pass einreisen dürfe, der zur Zeit beim amerikanischen Konsulat in Zürich hinterlegt sei.
Die Beschwerdegegnerin macht in ihrer Vernehmlassung geltend, es bestehe keine Gefahr des Untertauchens. Ihren eigenen Pass habe sie in Kopie - zusammen mit dem Visumsantrag - der amerikanischen Passbehörde eingereicht. Zudem sei sie mittellos, was einem Untertauchen entgegenstehe. Im Übrigen habe der Beschwerdeführer fast täglich Skype-Kontakt mit ihr bzw. mit seinem Sohn. Wie er selbst festhalte, sei der Schweizer Pass von Z._ für die Rückreise entbehrlich, weshalb er zu Recht zurückgegeben worden sei.
3. Die Hinterlegung des Reisepasses des Kindes beim Gericht oder einer anderen geeigneten Behörde ist eine zulässige und verbreitete Sicherungsmassnahme im Zusammenhang mit dem Haager Rückführungsverfahren. Die Rechtsgrundlagen hierzu sind Art. 2 HKÜ und - der sich formell an die Zentralbehörde wendende, mutatis mutandis aber sogar verstärkt für die Gerichte geltende - Art. 7 Abs. 2 lit. b und h HKÜ. Unbestritten ist die Zulässigkeit der Sicherungsmassnahme während der Hängigkeit des Rückführungsverfahrens (aus der Literatur: Pirrung, in: J. von Staudingers Kommentar zum BGB, 12. Aufl., Berlin 1994, N. 658 Vorbem zu Art. 19 EGBGB; Schmid, Neuere Entwicklungen im Bereich der internationalen Kindesentführungen, in: AJP 2002, S. 1337; aus der Rechtsprechung: Beschluss des Obergerichts des Kantons Zürich vom 25. September 2005, in: ZR 2007, S. 34). Die potentielle Gefahr der Vereitelung der Rückführung ist aber nach Abschluss des materiellen Verfahrens nicht kleiner als während dessen Hängigkeit, im Gegenteil, steht doch mit dem rechtskräftigen Rückführungsurteil die Rückführungsverpflichtung definitiv fest. Die fortgesetzte Hinterlegung des Reisepasses bis zum Vollzug der Rückführung ist deshalb eine zweckmässige Massnahme, die nicht nur im Geist des HKÜ steht, sondern durch den Wortlaut von Art. 7 Abs. 2 lit. h HKÜ, der von geeigneten Vorkehrungen zur Gewährleistung der sicheren Rückgabe spricht, direkt abgedeckt ist (vgl. auch Pirrung, a.a.O., N. 664).
4. Es bleibt zu prüfen, ob die Einbehaltung des schweizerischen Reisepasses des Kindes im vorliegenden Einzelfall notwendig, geeignet und verhältnismässig ist. Diesbezüglich ist zunächst festzuhalten, dass der Reisepass von Z._ bereits während des Rückführungsverfahrens bei den Behörden hinterlegt war und diese Massnahme bislang nicht auf Widerstand gestossen ist.
Unter dem Gesichtspunkt der Notwendigkeit ergibt sich, dass die Beschwerdegegnerin in der Vernehmlassung im Rückführungsverfahren vor Bundesgericht auf einmal sehr starke generelle Bedenken gegen eine Rückkehr in die USA äusserte, dass sie in der Zwischenzeit aber bei der amerikanischen Botschaft das Gesuch für die verlangten Garantien bzw. einen anderen Visumstyp im Sinn des bundesgerichtlichen Rückführungsentscheides deponiert hat, was auf Kooperation schliessen lässt. Es bestehen denn auch keine konkreten Anhaltspunkte für ein Untertauchen bzw. einen Wegzug in ein anderes Land. Andererseits kann vom Beschwerdeführer nicht verlangt werden, dass er gewissermassen eine konkrete Fluchtgefahr der Gegenseite nachweist; vielmehr sind im Rahmen eines HKÜ-Verfahrens per se gewisse Sicherungsmassnahmen angezeigt.
Mit Bezug auf die Eignung ist festzuhalten, dass zum einen die Rückgabeverpflichtung unter der Strafandrohung von <ref-law> steht und zum anderen spätestens seit der Verwirklichung des Schengen-Raumes die Hinterlegung von Reisepapieren keine absolute Gewähr bietet, dass das rückzuführende Kind nicht in ein anderes Land verbracht wird; nichtsdestoweniger bleibt aber die Massnahme insofern zweckmässig, als ohne Reisepass jedenfalls ein dauerhaftes Verbleiben bzw. Niederlassen in einem Drittstaat erschwert ist.
Hinsichtlich der Verhältnismässigkeit der Massnahme kann festgehalten werden, dass es um das Einbehalten der Reisepapiere für die beschränkte Zeit bis zur Rückführung geht und im vorliegenden Fall Mutter wie Kind durch die Massnahme kaum beschwert sind: Die Beschwerdegegnerin hält in der vorliegenden Vernehmlassung selbst fest, dass sie nicht gedenke, in ein anderes Land zu reisen, und für die Einreise in die USA ist nach der unbestrittenen Darstellung des Beschwerdeführers lediglich der amerikanische Pass von Z._ erforderlich bzw. gemäss US-amerikanischer Gesetzgebung überhaupt erlaubt.
Vor diesem Hintergrund erweist es sich als zweckmässig und verhältnismässig, den Schweizer Pass von Z._ in dahingehender Gutheissung der Beschwerde einstweilen einzubehalten, sei es durch das Obergericht selbst, sei es durch eine vom Obergericht bezeichnete Behörde (erstinstanzliches Gericht, Vollstreckungsbehörde, etc.). Im Rückführungsfall kann der Pass beispielsweise durch die Flughafenpolizei ausgehändigt werden (vgl. Hauser/Urwyler, Kindesentführungen, in: Rechtshilfe und Vollstreckung, Bern 2004, S. 77). Sofort und direkt herauszugeben ist er selbstredend, wenn seitens der USA keine Garantien erhältlich sind, weil diesfalls die Rückführungsverpflichtung gemäss dem Bundesgerichtsurteil vom 16. April 2009 dahinfällt. Sodann kann der Pass jederzeit mit dem Einverständnis des Beschwerdeführers an die Beschwerdegegnerin ausgehändigt werden. Vorbehalten bleiben ferner weitere Herausgabegesuche infolge veränderter Situation.
5. Zufolge offensichtlicher Prozessbedürftigkeit sind die beidseitigen Gesuche um unentgeltliche Rechtspflege gutzuheissen (<ref-law>) und die Parteien durch die sie jeweils vertretende Rechtsanwältin zu verbeiständen (<ref-law>). Für das bundesgerichtliche Verfahren werden keine Gerichtskosten gesprochen und beide Rechtsanwältinnen aus der Bundesgerichtskasse entschädigt.

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. In Gutheissung der Beschwerde wird Ziff. 1 des Beschlusses des Obergerichts des Kantons Zürich vom 21. April 2009 mit Bezug auf den Schweizer Pass von Z._ aufgehoben.
2. Der Schweizer Pass von Z._ wird dem Obergericht des Kantons Zürich übermacht zur weiteren Aufbewahrung und Herausgabe im Sinn der Erwägungen.
3. Die beidseitigen Gesuche um unentgeltliche Rechtspflege werden gutgeheissen und die Parteien werden durch die sie jeweils vertretende Rechtsanwältin verbeiständet.
Esther Küng, Baden, und Dr. Heidi Frick-Moccetti, Zürich, werden demzufolge aus der Gerichtskasse mit je Fr. 1'000.-- entschädigt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 25. Juni 2009
Im Namen der II. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Der Gerichtsschreiber:
Hohl Möckli