Sachverhalt:
A. Y._, Inhaber der A._ Bar im Langstrassenquartier in Zürich, trat am 6. Juni 2009, um ca. 05.00 Uhr, vor die Bar, um frische Luft zu schnappen. X._ versetzte ihm in der Folge unvermittelt einen heftigen Schlag mit einer Flasche an den Kopf. Dadurch erlitt Y._ eine Rissquetschwunde über dem linken Auge sowie ein Hämatom an der linken Wange, am linken Oberkiefer und am linken Auge.
Y._ erstattete am 14. Juli 2009 gegen X._ Anzeige wegen Körperverletzung. Das Amt für Jugend- und Berufsberatung des Kantons Zürich erhob gegen letzteren zudem Strafantrag und die Staatsanwaltschaft des Kantons Zürich in der Folge Anklage wegen Vernachlässigung von Unterstützungspflichten.
B. Das Bezirksgericht Zürich sprach X._ wegen einfacher Körperverletzung mit einem gefährlichen Gegenstand schuldig. Es bestrafte ihn unter Einbezug einer widerrufenen Rest-Freiheitsstrafe von 50 Tagen zu einer unbedingten Gesamt-Freiheitsstrafe von sechs Monaten sowie zu einer Genugtuungszahlung von Fr. 800.--. Vom Vorwurf der Vernachlässigung von Unterhaltspflichten sprach es ihn frei.
X._ erhob Berufung an das Obergericht des Kantons Zürich. Dieses bestätigte am 29. September 2010 den Schuldspruch sowie die Sanktion.
C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen beim Bundesgericht. Er beantragt, das Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich sei aufzuheben, und er sei ohne Kostenauflage vollumfänglich freizusprechen. Eventualiter sei die Sache zu neuer Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Es seien ihm die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren und Rechtsanwalt Urs Ebnöther als unentgeltlicher Rechtsbeistand zu bestellen.
D. Die Oberstaatsanwaltschaft sowie das Obergericht des Kantons Zürich verzichten auf eine Vernehmlassung. Y._ verweist auf seine Aussagen anlässlich der polizeilichen Befragung vom 18. August 2009 und beantragt sinngemäss Abweisung der Beschwerde.
E. Das Bundesgericht hat den Entscheid öffentlich beraten.

Erwägungen:
1. 1.1 Der Beschwerdeführer bestreitet die Tat und stellt in Abrede, im Tatzeitpunkt vor Ort gewesen zu sein. Er rügt eine willkürliche Feststellung des Sachverhalts sowie eine Verletzung des Grundsatzes "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel. Die Vorinstanz stütze sich massgeblich auf die Aussagen im Polizeiprotokoll vom 18. August 2009, das jedoch nicht verwertbar sei. Er habe damals trotz ungenügender Deutschkenntnisse in Selbstüberschätzung auf den Beizug eines Dolmetschers verzichtet. Dieser Mangel sei erkannt worden, weshalb in sämtlichen folgenden Befragungen der Untersuchungs- und Gerichtsbehörden ein Dolmetscher beigezogen worden sei. Anlässlich der polizeilichen Befragung sei ihm nicht klar gewesen, was ihm genau vorgeworfen werde. Er sei verwirrt gewesen und habe selbst bei der staatsanwaltschaftlichen Einvernahme vom 3. Dezember 2009 noch gedacht, es gehe um eine verbale und körperliche Auseinandersetzung, die vor der in Frage stehenden Tat stattgefunden habe. Diese Verwirrung lasse die Vorinstanz unberücksichtigt (Beschwerde, S. 4 f.).
Er habe sich aufgrund der Verwirrung nicht sofort an die Umstände des 6. Juni 2009 erinnern können. Die Aussagen des Beschwerdegegners 2 seien nicht uneingeschränkt glaubhaft. Dieser habe etwa in der Tatnacht kein Signalement zur Täterschaft abgeben oder genauere Angaben zum Tathergang machen können. Der Beschwerdegegner 2 gelte als Rassist und dulde in seinem Lokal keine Schwarzen. Er habe daher neben ihm (dem Beschwerdeführer) zahlreiche weitere Schwarze gegen sich aufgebracht. Insgesamt bestünden erhebliche und nicht zu unterdrückende Zweifel an der vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellung (Beschwerde, S. 5).
Er habe sich aufgrund der Verwirrung nicht sofort an die Umstände des 6. Juni 2009 erinnern können. Die Aussagen des Beschwerdegegners 2 seien nicht uneingeschränkt glaubhaft. Dieser habe etwa in der Tatnacht kein Signalement zur Täterschaft abgeben oder genauere Angaben zum Tathergang machen können. Der Beschwerdegegner 2 gelte als Rassist und dulde in seinem Lokal keine Schwarzen. Er habe daher neben ihm (dem Beschwerdeführer) zahlreiche weitere Schwarze gegen sich aufgebracht. Insgesamt bestünden erhebliche und nicht zu unterdrückende Zweifel an der vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellung (Beschwerde, S. 5).
1.2 1.2.1 Die Vorinstanz erachtet die Aussagen des Beschwerdegegners 2 in Übereinstimmung mit der ersten Instanz als sehr glaubhaft. Die Aussagen in Bezug auf die Täterschaft seien so bestimmt und präzise, dass eine Verwechslung ausgeschlossen werden könne. Die Beschreibung sei ausserdem sehr realitätsnah. Die Glaubhaftigkeit werde nicht dadurch beeinträchtigt, dass er diese Angaben nicht bereits den am Tatort erschienenen Polizeibeamten gemacht habe (angefochtenes Urteil, S. 8 f.).
Die Aussagen des Beschwerdegegners 2 seien sachlich, und die neutrale Schilderung der Verletzungsfolgen seien völlig untypisch für eine Racheaktion gegenüber dem Beschwerdeführer. Wer zwecks falscher Anschuldigung lüge, nenne - im Gegensatz zum Beschwerdegegner 2 - zudem keine leicht objektivierbaren Umstände, wie das Kennzeichen des vom Beschwerdeführer benutzten Taxis oder den Türsteher des gegenüberliegenden Lokals als Zeugen (angefochtenes Urteil, S. 10 f.).
1.2.2 Nach Auffassung der Vorinstanz sind die Aussagen des Beschwerdeführers wenig glaubhaft. Sie enthielten Widersprüche, Strukturbrüche und Anzeichen ausweichenden Aussageverhaltens. Teilweise seien sie gar unverständlich. Dem Beschwerdeführer sei immerhin zugute zu halten, dass unklar bleibe, inwiefern die Äusserungen auf die Übersetzung, die fremdländische Mentalität, den beschränkten Intellekt oder auf übermässigen Alkohol- oder Drogenkonsum zurückzuführen seien. Auffallend oft habe er wiederholt, er könne sich nicht an einen Schlag gegen den Beschwerdegegner 2 erinnern. Seine Erinnerungslücken seien zwar mit dem hohen Alkoholkonsum erklärbar, sie widerlegten aber nicht die belastenden Aussagen des Beschwerdegegners 2 (angefochtenes Urteil, S. 11 ff.).
Der Beschwerdeführer habe ferner wenig überzeugend behauptet, seine Freundin B._ sei bei ihm gewesen, obwohl er keine objektiven Hinweise hierzu geliefert habe. Diese habe ausgesagt, er sei an manchen Wochenenden alleine ausgegangen. Zudem habe sie sich nicht an den 6. Juni 2009 erinnern können. Dass er zusätzlich von C._ begleitet gewesen sei, habe er erst anlässlich der erstinstanzlichen Hauptverhandlung erwähnt. Diese habe zwar bestätigt, in der Nacht vom 5. auf den 6. Juni 2009 mit ihm und dessen Freundin im Ausgang gewesen zu sein. Deren Aussagen seien jedoch in sich selbst widersprüchlich, ausweichend und stereotyp oder nicht mit denjenigen von B._ und des Beschwerdeführers vereinbar. Insgesamt seien ihre Aussagen wenig überzeugend (angefochtenes Urteil, S. 16 ff.).
1.2.3 Die Vorinstanz weist darauf hin, dass der Türsteher der D._ Bar in unmittelbarer Nähe des Tatorts den Vorfall zwar beobachten, den Täter jedoch nicht identifizieren konnte. Einer der beiden Schwarzen, die um den Beschwerdegegner 2 herumgestanden hätten, habe gemäss Türsteher Rastas gehabt. Da keine objektiven Hinweise bestünden, dass der Beschwerdeführer die Rastas vor dem 6. Juni 2009 abgeschnitten habe, könne ihn diese Aussage nicht entlasten (angefochtenes Urteil, S. 15 f.).
1.2.4 Die Vorinstanz erachtet es als erwiesen, dass der Beschwerdeführer dem Beschwerdegegner 2 einen heftigen Schlag mit einer Flasche an den Kopf versetzte. Er habe zudem ein Motiv gehabt, habe er doch ihm gegenüber starke negative Gefühle empfunden, weil er mit diesem einen Streit gehabt habe und diesen auch als Rassisten betrachte. Schliesslich seien im Strafregister seit 2004 sieben Verurteilungen, vor allem wegen Betäubungsmitteldelikten, aber auch wegen Körperverletzung und Drohung, verzeichnet (angefochtenes Urteil, S. 19).
1.3 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Die Feststellung des Sachverhalts durch die Vorinstanz kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig, d.h. willkürlich im Sinne von Art. 9 BV ist (<ref-ruling> E. 1.2.2), oder wenn sie auf einer Verletzung von schweizerischem Recht im Sinne von Art. 95 BGG beruht (Art. 97 Abs. 1 BGG). Die Rüge der offensichtlich unrichtigen Feststellung des Sachverhalts (Art. 105 Abs. 2 BGG) prüft das Bundesgericht unter den in Art. 106 Abs. 2 BGG vorgegebenen Bedingungen.
1.4 Der Beschwerdeführer, der die Sachverhaltsfeststellungen der Vorinstanz anfechten will, muss substantiiert darlegen, inwiefern die Voraussetzungen einer Ausnahme gemäss Art. 105 Abs. 2 BGG gegeben sind und das Verfahren bei rechtskonformer Ermittlung des Sachverhalts anders ausgegangen wäre. Der Beschwerdeführer kann sich nicht damit begnügen, den bestrittenen Feststellungen eigene tatsächliche Behauptungen gegenüberzustellen oder darzulegen, wie die Beweise seiner Ansicht nach zu würdigen gewesen wären. Vielmehr hat er klar und substantiiert aufzuzeigen, inwiefern die gerügten Feststellungen bzw. die Unterlassung von Feststellungen offensichtlich unrichtig sind oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruhen (<ref-ruling> E. 2.4).
1.5 Dem Sachgericht steht im Bereich der Beweiswürdigung ein erheblicher Ermessensspielraum zu (<ref-ruling> E. 6.1 mit Hinweisen; <ref-ruling> E. 4b). Das Bundesgericht greift auf Beschwerde hin nur ein, wenn das Sachgericht diesen missbraucht, insbesondere offensichtlich unhaltbare Schlüsse zieht, erhebliche Beweise übersieht oder solche willkürlich ausser Acht lässt (<ref-ruling> E. 2.1). Inwiefern das kantonale Gericht sein Ermessen im dargelegten Sinn missbraucht haben soll, ist in der Beschwerde klar und detailliert aufzuzeigen (<ref-ruling> E. 1.3).
1.6 Was der Beschwerdeführer gegen die tatsächlichen Feststellungen der Vorinstanz einwendet, erschöpft sich in einer appellatorischen Kritik am angefochtenen Urteil, die für die Begründung einer willkürlichen Feststellung des Sachverhalts nicht genügt. Seine Ausführungen sind nicht geeignet, offensichtlich erhebliche und nicht zu unterdrückende Zweifel an der vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellung darzutun. Er zeigt nicht auf, inwiefern er glaubhaft bzw. der Beschwerdegegner 2 unglaubhaft ausgesagt haben soll und deshalb nicht auf dessen Aussagen abzustellen wäre.
1.7 Ebenfalls nicht einzugehen ist auf das neue Vorbringen des Beschwerdeführers, das Polizeiprotokoll vom 18. August 2009 sei nicht zu verwerten, da er trotz mangelhafter Deutschkenntnisse ohne Dolmetscher befragt worden sei (Art. 99 Abs. 2 BGG). Sein Rechtsvertreter wies im Plädoyer anlässlich der vorinstanzlichen Hauptverhandlung zwar auf die dürftigen Deutschkenntnisse seines Mandaten hin, verlangte jedoch nicht die Unverwertbarkeit des fraglichen Protokolls (act. 43, S. 4 der Vorakten).
2. 2.1 Der Beschwerdeführer macht im Sinne eines Eventualantrags geltend, die Vorinstanz verletze bezüglich der ausgesprochenen Freiheitsstrafe das Verhältnismässigkeitsprinzip (Art. 5 Abs. 2 BV). Gesetzgeber und Rechtsprechung hätten für Strafen unter 12 Monaten eine klare Priorisierung nicht freiheitsentziehender Sanktionen eingeführt. Freiheitsstrafen unter sechs Monaten seien gar nur unter Berücksichtigung der Voraussetzungen von Art. 41 StGB zulässig. Unter anderem werde verlangt, dass eine bedingte Strafe gemäss Art. 42 StGB nicht möglich sei. Da ihm eine gute Prognose gestellt werden könne, sei diese Voraussetzung vorliegend nicht erfüllt. Seine Hauptdelinquenz habe in den Jahren 2004 bis 2006 stattgefunden. Danach habe er nur noch einmal delinquiert, was jedoch bereits eineinhalb Jahre zurück liege. Er lebe in einer stabilen Beziehung, seine Freundin sei sogar schwanger und erwarte demnächst ein Kind. Da er mit diesem Kind von Beginn weg eine enge Beziehung aufbauen möchte, habe er ein gewichtiges Interesse, die Strafe nicht im Gefängnis zu verbüssen.
Die Vorinstanz gehe weiter zu Unrecht davon aus, dass eine Geldstrafe bei ihm nicht vollzogen werden könne. Der Zweck der Geldstrafe liege in der Beschränkung des Lebensstandards, der auch bei einkommensschwachen Verurteilten erreicht werden könne. Es lägen keine Hinweise vor, wonach er eine Geldstrafe mit grosser Wahrscheinlichkeit nicht bezahlen würde. Zudem sei er gewillt, gemeinnützige Arbeit zu leisten. Diese Sanktionsart sei ihm daher ebenfalls zu Unrecht verwehrt worden. Gründe gegen die Zweckmässigkeit der beiden Sanktionsarten lägen nicht vor. Dürfe keine unbedingte Freiheitsstrafe ausgefällt werden, entfalle auch die Möglichkeit der Gesamtstrafenbildung. Gemäss Art. 89 Abs. 2 StGB sei von einer Gesamtstrafe abzusehen und die Probezeit für die Reststrafe zu verlängern (Beschwerde, S. 6 ff.).
Wenn die Vorinstanz ausführe, er habe sich weder durch die zahlreichen Vorstrafen noch durch den Strafvollzug oder die bedingte Entlassung von erneuter Delinquenz abhalten lassen, betreffe dies nicht die Sanktionsart, sondern das Strafmass bzw. die Frage des bedingten Vollzugs der auszufällenden Strafe (Beschwerde, S. 7 f.).
2.2 Die Vorinstanz verweist zur Frage der Strafzumessung auf die erstinstanzlichen Ausführungen. Diese verneinen die Möglichkeit einer Geldstrafe, weil der Beschwerdeführer weder Vermögen besitze noch ein effektives Einkommen erziele. Der Vollzug einer Geldstrafe könne in Anbetracht der finanziellen Verhältnisse nicht ernsthaft in Erwägung gezogen werden. Eine gemeinnützige Arbeit komme aufgrund des ungeklärten Aufenthaltsstatus ebenfalls nicht in Frage. Aufgrund der gerichtlichen Trennung der Ehe gelte die Familiengemeinschaft als aufgelöst, weshalb die Aufenthaltsbewilligung des Beschwerdeführers eingezogen und nicht verlängert worden sei. Der Ausgang des Rechtsmittelverfahrens sei offen. Die Gewährung des bedingten Vollzugs der Strafe falle ausser Betracht, da der Beschwerdeführer seit 2004 sieben Vorstrafen erwirkt und sich durch den Vollzug der letzten Freiheitsstrafe offenbar nicht habe genügend beeindrucken lassen. Die erneute Delinquenz lasse auf eine beträchtliche Uneinsichtigkeit und Unbelehrbarkeit schliessen. Einer regelmässigen Arbeit gehe er nicht nach, finanziell werde er von seiner Lebenspartnerin unterstützt. Es fehle an einem stabilen familiären Umfeld (erstinstanzliches Urteil, S. 18 ff.).
Die Vorinstanz erwähnt zusätzlich, dass für die Wahl der Sanktionsart die Zweckmässigkeit, ihre Auswirkungen auf den Täter und sein soziales Umfeld sowie ihre präventive Effizienz zu berücksichtigen seien. Eine Freiheitsstrafe sei vorliegend angemessen, da sich der Beschwerdeführer weder durch seine zahlreichen Vorstrafen noch durch den Strafvollzug oder die bedingte Entlassung von erneuter Delinquenz habe abhalten lassen. Eine mildere Sanktionsart sei vorliegend nicht angezeigt (angefochtenes Urteil, S. 20 f.).
Die erste Instanz erachtete für die Straftat eine Freiheitsstrafe von 150 Tagen als schuldangemessen. Unter Einbezug einer Reststrafe von 50 Tagen fällte sie eine Freiheitsstrafe - als Gesamtstrafe - von sechs Monaten aus (erstinstanzliches Urteil, S. 20 f.), was die Vorinstanz bestätigt.
2.3 Gemäss Art. 89 Abs. 6 StGB bildet das Gericht in Anwendung von Artikel 49 eine Gesamtstrafe, wenn auf Grund der neuen Straftat die Voraussetzungen für eine unbedingte Freiheitsstrafe erfüllt sind und diese mit der durch den Widerruf vollziehbar gewordenen Reststrafe zusammentrifft (...). Zu prüfen ist, ob die Vorinstanz vorliegend zu Recht eine Gesamtstrafe gebildet hat.
2.4 Die Vorbringen des Beschwerdeführers, in denen er die Ausfällung einer Geldstrafe oder von gemeinnütziger Arbeit verlangt, gehen fehl. Mit Art. 41 StGB hat der Gesetzgeber zwar für Strafen unter sechs Monaten eine gesetzliche Prioritätsordnung zugunsten nicht freiheitsentziehender Sanktionen eingeführt. Dahinter steckt das zentrale Anliegen des reformierten Sanktionenrechts, die sozial desintegrierenden kurzen Freiheitsstrafen zurückzudrängen (<ref-ruling> E. 4.2.2 mit weiteren Hinweisen). Eine Gesamtstrafe nach Art. 89 Abs. 6 StGB kann nur ausgefällt werden, wenn im konkreten Fall sowohl bei der neuen Strafe als auch bei der Reststrafe die Voraussetzungen des unbedingten Vollzugs gegeben sind. Da diese zusammen vollzogen werden, ist auf die Gesamtlänge der Strafe abzustellen, die der Täter zu verbüssen hat. Eine Strafe ab sechs Monaten fällt nicht mehr in den Anwendungsbereich von Art. 41 StGB. Dies gilt auch, wenn es sich um eine Gesamtstrafe handelt. Führen die Reststrafe und die neue Strafe zu einer Gesamtstrafe von sechs Monaten oder mehr, steht daher Art. 41 StGB nicht mehr zur Diskussion.
2.5 Für Strafen von sechs Monaten bis zu einem Jahr sieht das Gesetz Freiheitsstrafe oder Geldstrafe vor (vgl. Art. 34 Abs. 1 und Art. 40 Satz 1 StGB). Im Vordergrund steht dabei die Geldstrafe. Das ergibt sich aus dem Prinzip der Verhältnismässigkeit, wonach bei alternativ zur Verfügung stehenden Sanktionen im Regelfall diejenige gewählt werden soll, die weniger stark in die persönliche Freiheit des Betroffenen eingreift bzw. die ihn am wenigsten hart trifft. Bei der Wahl der Sanktionsart sind als wichtige Kriterien die Zweckmässigkeit einer bestimmten Sanktion, ihre Auswirkungen auf den Täter und sein soziales Umfeld sowie ihre präventive Effizienz zu berücksichtigen (<ref-ruling> E. 4.2.2; <ref-ruling> E. 4.1; je mit Hinweisen). Dem Sachgericht steht in der Wahl der Sanktionsart ein Ermessen zu. Nach der bundesgerichtlichen Rechtsprechung hat es konkret zu prüfen und auch zu begründen, weshalb im Einzelfall eine Geldstrafe unzweckmässig und stattdessen eine Freiheitsstrafe auszusprechen ist. Die Begründungspflicht reicht nicht so weit, wie dies Art. 41 Abs. 2 StGB hinsichtlich der Ausfällung kurzer Freiheitsstrafen unter sechs Monaten verlangt. Allerdings sollten die Beweggründe des Gerichts für die eine oder andere Sanktionsform aus dem Urteil ersichtlich sein.
Die Vorinstanz erachtet eine Freiheitsstrafe als angemessen, weil sich der Beschwerdeführer weder durch seine zahlreichen Vorstrafen noch durch den Strafvollzug oder die bedingte Entlassung von erneuter Delinquenz abhalten liess. Sie bezieht sich in ihrer kurzen Begründung ausdrücklich auf die erwähnte bundesgerichtliche Rechtsprechung zur Bestimmung der geeigneten Sanktionsform. Angesichts der offensichtlichen Unmöglichkeit, den Beschwerdeführer vorliegend mit einer milderen Sanktionsart als einer Freiheitsstrafe vom Delinquieren abzuhalten, verletzt die vorinstanzliche Strafbegründung kein Bundesrecht.
2.6 Das Gericht schiebt den Vollzug einer Geldstrafe, von gemeinnütziger Arbeit oder einer Freiheitsstrafe von mindestens sechs Monaten und höchstens zwei Jahren in der Regel auf, wenn eine unbedingte Strafe nicht notwendig erscheint, um den Täter von der Begehung weiterer Verbrechen oder Vergehen abzuhalten (Art. 42 Abs. 1 StGB). Während nach altem Recht für die Gewährung des bedingten Strafvollzugs eine günstige Prognose erforderlich war, genügt nach geltendem Recht das Fehlen einer ungünstigen Prognose. Die Gewährung des bedingten Strafaufschubs setzt mit anderen Worten nicht die positive Erwartung voraus, der Täter werde sich bewähren, sondern es genügt die Abwesenheit der Befürchtung, dass er es nicht tun werde. Der Strafaufschub ist deshalb die Regel, von der grundsätzlich nur bei ungünstiger Prognose abgewichen werden darf. Er hat im breiten Mittelfeld der Ungewissheit den Vorrang (<ref-ruling> E. 4.2.2 mit Hinweisen).
2.7 Die Vorinstanz verweist zur Prognosebildung auf die Ausführungen der ersten Instanz. Diese begründet die ungünstige Bewährungsaussicht im Wesentlichen mit den vom Beschwerdeführer seit 2004 erwirkten sieben Vorstrafen, die ihn nicht genügend beeindruckt hätten, sowie dem fehlenden stabilen familiären Umfeld. Die diesbezüglichen Ausführungen des Beschwerdeführers sind unbehelflich. Zwar liegt der Schwerpunkt der Delinquenz schon einige Jahre zurück. Gleichwohl ist es ihm nicht gelungen, deliktsfrei zu leben, und er hat sogar während laufender Probezeit wieder delinquiert. Indem die Vorinstanz mit der ersten Instanz eine günstige Prognose für das künftige Wohlverhalten des Beschwerdeführers verneint, verletzt sie kein Bundesrecht.
Die Vorinstanz durfte daher für die Sanktionierung des neuen Delikts (Körperverletzung zum Nachteil des Beschwerdegegners 2) von einer unbedingten Freiheitsstrafe ausgehen, die vorhandene Reststrafe widerrufen und in Anwendung von Art. 89 Abs. 6 StGB eine Gesamtstrafe von sechs Monaten ausfällen.
3. Die Beschwerde ist abzuweisen. Bei diesem Verfahrensausgang sind die bundesgerichtlichen Kosten grundsätzlich dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (Art. 66 Abs. 1 BGG). Er stellt indessen ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung, das gutzuheissen ist, da seine Bedürftigkeit ausgewiesen scheint und die Beschwerde nicht von vornherein aussichtslos war (Art. 64 Abs. 1 und 2 BGG). Dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers ist eine angemessene Entschädigung aus der Bundesgerichtskasse auszurichten. Der Beschwerdegegnerin 1 ist keine Entschädigung zuzusprechen (Art. 68 Abs. 3 BGG). Dem Beschwerdegegner 2 ist ebenfalls keine Entschädigung zuzusprechen, da ihm im vorliegenden Verfahren keine Umtriebe entstanden sind (Art. 68 Abs. 2 BGG).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird gutgeheissen. Dem Beschwerdeführer wird Urs Ebnöther als unentgeltlicher Rechtsbeistand beigegeben.
3. Es werden keine Gerichtskosten erhoben.
4. Dem Rechtsvertreter des Beschwerdeführers wird eine Parteientschädigung von Fr. 1'500.-- aus der Bundesgerichtskasse ausgerichtet.
5. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 14. Juli 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Der Gerichtsschreiber: Keller