Sachverhalt:
A. A._ (Beschwerdeführer) ist Fotograf. Er machte im Jahr 1978 von dem am 11. Mai 1981 verstorbenen Reggae-Sänger Bob Marley anlässlich eines Konzerts in Santa Barbara, Kalifornien, eine Fotografie.
Diese Fotografie wurde vom Beschwerdeführer unter Umständen, die zwischen den Parteien streitig sind, der Y._ AG übergeben und bei deren Niederlassung in London, der Y._ London, archiviert. Später übernahm die Z._ Ltd. die Y._ London und damit auch deren Archiv. In der Folge überliess die Z._ Ltd. die Fotografie der X._ AG (Beschwerdegegnerin) mit Sitz im Kanton Zürich zur Herstellung von Postern.
B. B.a Im September 2000 erhob der Beschwerdeführer beim Obergericht des Kantons Zürich Klage gegen die Beschwerdegegnerin mit den folgenden Rechtsbegehren:
"1. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei zu verpflichten, gegenüber dem Kläger [Beschwerdeführer] bekanntzugeben und offen zu legen:
1.1 Die Höhe der Druckauflage des von der Beklagten [Beschwerdegegnerin] weltweit angebotenen Posters "Bob Marley", hergestellt ab dem 1978 entstandenen Foto des Klägers [Beschwerdeführers];
1.2 den Herstellungs- sowie den Verkaufspreis pro Exemplar dieses Posters;
1.3 weitere Verwendungen des Fotos des Klägers [Beschwerdeführers] durch die Beklagte [Beschwerdegegnerin] z.B. als Postkarte, Buchillustration, Zeitungsillustration sowie in den elektronischen Medien;
1.4 die Höhe der jeweiligen Druckauflage der einzelnen, von der Beklagten [Beschwerdegegnerin] noch nachzuweisenden Verwendungsarten;
1.5 den jeweiligen Herstellungs- und Verkaufspreis pro Exemplar der einzelnen, von der Beklagten [Beschwerdegegnerin] noch nachzuweisenden Verwendungsarten;
1.6 Namen und Adressen der von ihr belieferten Wiederverkäufer und Internet-Anbieter;
1.7 alle Gewinne, die mit dem vom Foto des Klägers [Beschwerdeführers] hergestellten Poster sowie anderen Verwendungsarten erzielt wurden.
2. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei zu verpflichten,
2.1 dem Kläger [Beschwerdeführer] eine Lizenzgebühr von mindestens 10 % des Verkaufspreises pro gedrucktem Exemplar des Posters und anderer, durch die Beklagte [Beschwerdegegnerin] nachzuweisender Verwertungsarten zu entrichten;
2.2 den bisher erzielten Gewinn aus der gesamten Nutzung des Werkes des Klägers [Beschwerdeführers] an den Kläger [Beschwerdeführer] herauszugeben.
3. Eventualiter sei die Beklagte [Beschwerdegegnerin] zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] für die unberechtigte Nutzung seines Werkes für die verschiedenen Verwendungsarten auf der Basis "Preisempfehlung für Bildhonorare der Schweizerischen Arbeitsgemeinschaft der Bildagenturen und -archive" (nach vorläufiger Berechnung, ohne Verletzerzuschlag) im Betrag von Fr. 57'342.50 angemessen zu entschädigen.
4. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei weiter zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] eine angemessene Entschädigung gemäss vorläufiger Berechnung in Höhe von mindestens Fr. 3'648.-- wegen widerrechtlicher Verwendung im Internet zu entrichten.
4.1 Für die definitive Berechnung seien die entsprechenden Tarife der Verwertungsgesellschaft ProLitteris, Zürich, beizuziehen.
5. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei ebenfalls zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] 5 % Zins, berechnet vom Datum der Geltendmachung seiner Ansprüche mit Brief vom 18. Mai 1999 zu zahlen.
6. Es sei festzustellen, dass der Kläger [Beschwerdeführer] in seinen urheberpersönlichkeitsrechtlichen Verhältnissen verletzt worden ist; nämlich in seinem Recht auf Anerkennung der Urheberschaft durch Unterdrückung seines Namens als Urheber des Fotos, sowie in seinem ausschliesslichen Recht, darüber zu bestimmen, ob, wann und wie das Werk geändert werden kann, wie etwa durch (hier: unbefugten Eingriff mittels) Kolorierung.
7. Die Beklagte [Beschwerdegegnerin] sei zu verpflichten, dem Kläger [Beschwerdeführer] für diese Verletzung in seinen urheberpersönlichkeitsrechtlichen Verhältnissen unter dem Titel der Genugtuung den Betrag von Fr. 2'000.-- zu entrichten.
8. Es sei der Beklagten [Beschwerdegegnerin] zu verbieten, Veröffentlichungen ab dem Foto des Klägers [Beschwerdeführers] ohne dessen Einverständnis und ohne Nennung seines Namens in gedruckten oder in elektronischen Medien zu publizieren oder publizieren zu lassen.
9. Vorsorglich wird der Antrag gestellt, einen Sachverständigen beizuziehen zur Bestimmung des Ur- und des Reproduktionsnegativs.
Alles unter Kosten- und Entschädigungsfolge zulasten der Beklagten [Beschwerdegegnerin]."
Am 13. März 2003 wies das Obergericht die Klage ab mit der Begründung, der Fotografie des Beschwerdeführers komme keine Werkqualität im Sinne von Art. 2 URG zu. Der Beschwerdeführer erhob dagegen eidgenössische Berufung an das Bundesgericht. Dieses hiess mit Urteil 4C.117/2003 vom 5. September 2003 (= <ref-ruling>) die Berufung teilweise gut, hob das Urteil des Obergerichts vom 13. März 2003 auf und wies die Streitsache zur Neubeurteilung im Sinne der Erwägungen an die Vorinstanz zurück. Das Bundesgericht hielt dafür, die vom Beschwerdeführer aufgenommene Fotografie stelle ein urheberrechtlich geschütztes Werk im Sinne von Art. 2 URG dar.
B.b Nach Durchführung eines - einstweilen auf die Frage der Urheberrechtsverletzung beschränkten - Beweisverfahrens wies das Obergericht die Klage des Beschwerdeführers mit Urteil vom 29. Januar 2009 erneut ab.
Gegen dieses Urteil erhob der Beschwerdeführer kantonale Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht des Kantons Zürich, das die Beschwerde mit Zirkulationsbeschluss vom 26. Juli 2010 abwies, soweit es darauf eintrat.
C. Der Beschwerdeführer beantragt dem Bundesgericht mit Beschwerde in Zivilsachen, das Urteil des Obergerichts vom 29. Januar 2009 aufzuheben und im Sinne der Erwägungen zur Beurteilung der gestellten Rechtsbegehren an die Vorinstanz zurückzuweisen.
Die Beschwerdegegnerin beantragt, auf die Beschwerde nicht einzutreten, eventuell die Beschwerde abzuweisen. Die Vorinstanz verzichtete auf eine Vernehmlassung.

Erwägungen:
1. Nach Art. 100 Abs. 6 BGG beginnt die Beschwerdefrist, wenn der Entscheid eines oberen kantonalen Gerichts mit einem Rechtsmittel, das nicht alle Rügen nach den Artikeln 95-98 zulässt, bei einer zusätzlichen kantonalen Gerichtsinstanz angefochten worden ist, erst mit der Eröffnung des Entscheids dieser Instanz. Die innert Frist seit Eröffnung des Kassationsgerichtsbeschlusses gegen das Urteil des Obergerichts eingereichte Beschwerde ist damit rechtzeitig erfolgt.
Das Eintreten auf die Beschwerde ist jedoch in dreifacher Hinsicht fraglich bzw. zu verneinen:
2. Die Beschwerdeschrift hat ein Rechtsbegehren zu enthalten (Art. 42 Abs. 1 BGG). Da die Beschwerde in Zivilsachen ein reformatorisches Rechtsmittel ist (Art. 107 Abs. 2 BGG), darf sich der Beschwerdeführer grundsätzlich nicht darauf beschränken, die Aufhebung des angefochtenen Entscheids zu beantragen, sondern muss einen Antrag in der Sache stellen. Anträge auf Rückweisung der Sache an die Vorinstanz zu neuer Entscheidung oder blosse Aufhebungsanträge genügen nicht und machen die Beschwerde unzulässig. Ein blosser Rückweisungsantrag reicht ausnahmsweise aus, wenn das Bundesgericht im Falle der Gutheissung in der Sache nicht selbst entscheiden könnte, weil die erforderlichen Sachverhaltsfeststellungen der Vorinstanz fehlen (<ref-ruling> E. 3.1).
Der Beschwerdeführer beantragt lediglich, das Urteil des Obergerichts aufzuheben und das Verfahren im Sinne der Erwägungen zur Beurteilung der gestellten Rechtsbegehren an die Vorinstanz zurückzuweisen. Einen materiellen Antrag stellt er nicht. Dass das Bundesgericht im Falle der Gutheissung der Beschwerde nicht selbst in der Lage wäre, ein Urteil zu fällen, und die Streitsache an die Vorinstanz zurückweisen müsste, wird in der Beschwerde in keiner Weise begründet und geht aus dem angefochtenen Entscheid nicht ohne Weiteres hervor. Es ist daher fraglich, ob bereits wegen ungenügender Rechtsbegehren auf die Beschwerde nicht einzutreten ist.
3. Die Vorinstanz stützte die Abweisung der Klage auf eine Doppelbegründung. Zur Hauptsache verneinte sie das Vorliegen einer Urheberrechtsverletzung. Ferner erachtete sie es als fraglich, ob die Y._ AG dem Beschwerdeführer aus Vertrag allenfalls eine Entschädigung für die Verwendung der Fotografie schulde. Diesbezüglich wäre die Beschwerdegegnerin aber nicht passivlegitimiert. In einer Eventualbegründung erwog die Vorinstanz zudem, dass finanzielle Ansprüche selbst beim Vorliegen einer Urheberrechtsverletzung nicht begründet wären, weil der Beschwerdegegnerin kaum ein Verschulden bzw. Bösgläubigkeit vorgeworfen werden könnte.
Beruht der angefochtene Entscheid auf mehreren selbständigen Begründungen, die je für sich den Ausgang des Rechtsstreits besiegeln, so hat der Beschwerdeführer darzulegen, dass jede von ihnen Recht verletzt; andernfalls kann auf die Beschwerde nicht eingetreten werden (<ref-ruling> E. 6).
Der vorliegenden Beschwerde ist eine rechtsgenügliche Anfechtung der Eventualbegründung nicht zu entnehmen. Der Beschwerdeführer führt betreffend die Erwägung 3.9 des angefochtenen Urteils, welche die Eventualbegründung enthält, einzig aus, mit dieser Erwägung habe die Vorinstanz das Rechtsbegehren 7 nicht behandelt. Dieses Vorbringen übergeht zum einen, dass das Rechtsbegehren 7 ebenfalls einen finanziellen Anspruch betrifft, nämlich eine Genugtuungsforderung von Fr. 2'000.-- wegen Verletzung in den urheberpersönlichkeitsrechtlichen Verhältnissen. Zum andern ist mit dieser Bemerkung nichts gegen die Verneinung eines Verschuldens bzw. der Bösgläubigkeit der Beschwerdegegnerin vorgebracht. Mangels rechtsgenüglicher Anfechtung der Eventualbegründung ist das Eintreten auf die Beschwerde auch in dieser Hinsicht in Frage gestellt.
4. 4.1 Damit ein kantonaler Entscheid mit Beschwerde in Zivilsachen angefochten werden kann, muss der Instanzenzug im Kanton erschöpft sein (Art. 75 Abs. 1 BGG). Für Rügen, die mit der Beschwerde in Zivilsachen erhoben werden können, darf kein kantonales Rechtsmittel mehr offen stehen (<ref-ruling> E. 1.3 S. 527).
Gegen das angefochtene Urteil des Obergerichts war die kantonale Nichtigkeitsbeschwerde an das Kassationsgericht des Kantons Zürich nach § 281 der Zivilprozessordnung vom 13. Juni 1976 (ZPO/ZH; LS 271) zulässig, weshalb es insoweit nicht kantonal letztinstanzlich ist, als es vom Kassationsgericht hätte überprüft werden können. Nach § 281 ZPO/ZH kann mit Nichtigkeitsbeschwerde geltend gemacht werden, der angefochtene Entscheid beruhe zum Nachteil des Nichtigkeitsklägers auf einer Verletzung eines wesentlichen Verfahrensgrundsatzes (Ziff. 1), auf einer aktenwidrigen oder willkürlichen tatsächlichen Annahme (Ziff. 2) oder auf einer Verletzung klaren materiellen Rechts (Ziff. 3). Ausgeschlossen ist die Nichtigkeitsbeschwerde, wenn das Bundesgericht einen Mangel frei überprüfen kann, wobei sie gemäss § 285 Abs. 2 ZPO/ZH stets zulässig ist, wenn eine Verletzung von Art. 8, 9, 29 oder 30 BV oder von Art. 6 EMRK geltend gemacht wird.
Das angefochtene Urteil des Obergerichts stellt daher insoweit keinen letztinstanzlichen Entscheid dar, als geltend gemacht wird, das Obergericht habe willkürliche tatsächliche Feststellungen getroffen, den Anspruch des Beschwerdeführers auf rechtliches Gehör verletzt oder kantonale Verfahrensbestimmungen willkürlich angewendet.
4.2 Der Beschwerdeführer hat den Beschluss des Kassationsgerichts nicht angefochten. Gegen das Urteil des Obergerichts ist demzufolge betreffend die Sachverhaltsermittlung einzig die Rüge zulässig, das Obergericht habe Art. 8 ZGB verletzt. Dies missachtet der Beschwerdeführer, indem er in seiner Beschwerde praktisch ausschliesslich Rügen offensichtlich unrichtiger oder unvollständiger Sachverhaltsfeststellungen durch die Vorinstanz erhebt. So kritisiert er zahlreiche fehlerhafte Sachverhaltsfeststellungen bzw. eine einseitige Beweiswürdigung betreffend die vertragliche Grundlage eines Rechtserwerbs durch die Y._ AG, die Übergabe der Fotografie in das Archiv der Y._ AG und die Frage der Ansprüche aus Urheberpersönlichkeitsrecht.
Auf all diese Sachverhaltsrügen kann mangels Letztinstanzlichkeit des angefochtenen Obergerichtsurteils nicht eingetreten werden.
5. Betreffend die vertragliche Grundlage des Rechtserwerbs durch die Y._ AG fügt der Beschwerdeführer seinen Rügen fehlerhafter Sachverhaltsfeststellungen und einseitiger Beweiswürdigung den Satz an, das Obergericht habe die Auslegung von Willenserklärungen nicht nach dem Vertrauensprinzip vorgenommen. Die nicht weiter begründete Rüge genügt den Begründungsanforderungen für die Geltendmachung einer Bundesrechtsverletzung nicht (Art. 42 Abs. 2 BGG). Ohnehin entspricht es ständiger Rechtsprechung, dass sich der Inhalt eines Vertrags in erster Linie durch subjektive Auslegung, das heisst nach dem übereinstimmenden wirklichen Parteiwillen bestimmt (Art. 18 Abs. 1 OR). Erst wenn dieser unbewiesen bleibt, sind zur Ermittlung des mutmasslichen Parteiwillens die Erklärungen der Parteien aufgrund des Vertrauensprinzips auszulegen (<ref-ruling> E. 3.2 S. 412 f.; <ref-ruling> E. 4.1 S. 611; <ref-ruling> E. 3.2). Es ist demnach korrekt und bundesrechtlich nicht zu beanstanden, wenn die Vorinstanz in erster Linie eine Beweiswürdigung vornahm. Nachdem diese zu einem Ergebnis führte, erübrigte sich eine Auslegung von Willenserklärungen nach dem Vertrauensprinzip.
6. Im Zusammenhang mit der Übergabe der Fotografie in das Archiv der Y._ AG erblickt der Beschwerdeführer in einer angeblich offensichtlich falschen Sachverhaltsfeststellung gleichzeitig eine Verletzung der Beweislastregel von Art. 8 ZGB, sei es doch an der Beschwerdegegnerin zu beweisen, dass sie die Fotografie vorbehaltlos zur uneingeschränkten Nutzung erhalten habe. Die Rüge einer Verletzung von Art. 8 ZGB ist zulässig, aber unbegründet. Die Vorinstanz kam zum Schluss, nach dem Beweisverfahren stehe fest, dass der Beschwerdeführer die Aufnahme dem Archiv der Y._ AG übergeben habe und zwar spätestens drei Monate vor dem Tod von Bob Marley. Die Y._ AG habe die Verwendungsrechte an der Fotografie uneingeschränkt erworben, indem der Beschwerdeführer sie vorbehaltlos ins Archiv der Y._ AG gegeben habe. Damit sei der Beschwerdeführer auch mit der Weitergabe an die weltweiten Y._-Niederlassungen (insbesondere Y._ London) einverstanden gewesen. Die Behauptung, in Bezug auf die Bob Marley-Fotografie sei die Einräumung der Verwendungsrechte nur eingeschränkt erfolgt, ist unsubstanziiert und aufgrund des Beweisverfahrens - insbesondere der Aussagen des Zeugen B._ - widerlegt worden. Betreffend die Übergabe der Fotografie zur uneingeschränkten Verwendung liegt somit kein offenes Beweisergebnis vor. Die Beweislastverteilung ist insofern gegenstandslos (<ref-ruling> E. 4.3.4 S. 241; <ref-ruling> E. 5.4 S. 602) und die Berufung auf Art. 8 ZGB stösst ins Leere.
Wenn der Beschwerdeführer in diesem Zusammenhang ferner geltend macht, mit der unrichtigen Feststellung des Sachverhalts sei auch Bundesrecht verletzt worden, handle es sich doch bei der Zweckübertragungstheorie um eine spezifische Auslegungsmethode des Urheberrechts, so kann auf dieses pauschale und ungenügend begründete Vorbringen nicht eingetreten werden (Art. 42 Abs. 2 BGG). Der Beschwerdeführer legt nicht dar, inwiefern die Vorinstanz auf der Grundlage des von ihr verbindlich festgestellten Sachverhalts Bundesrecht verletzt haben soll.
7. Auf die Beschwerde kann grösstenteils nicht eingetreten werden. Im Übrigen ist sie abzuweisen. Demnach bleibt es bei der Abweisung der Klage, womit sich erübrigt, auf die von der Beschwerdegegnerin eventualiter vorgetragenen Einwendungen, wie namentlich auf die Einrede der Verjährung, einzugehen.
8. Dem Ausgang des Verfahrens entsprechend wird der Beschwerdeführer kosten- und entschädigungspflichtig (Art. 66 Abs. 1 und Art. 68 Abs. 2 BGG).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 3'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Der Beschwerdeführer hat die Beschwerdegegnerin für das bundesgerichtliche Verfahren mit Fr. 3'500.-- zu entschädigen.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 25. November 2010
Im Namen der I. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Die Gerichtsschreiberin:
Klett Sommer