Fatti:
A. In seguito al suo matrimonio celebrato il 12 ottobre 2005 con la cittadina svizzera B._ (1962), A._ (1970), cittadino brasiliano, è stato posto al beneficio di un permesso di dimora annuale, regolarmente rinnovato, l'ultima volta fino all'11 agosto 2008. Il 24 giugno 2008 i coniugi hanno smesso di convivere. Interrogati dalla polizia cantonale nel mese di novembre 2008 entrambi hanno dichiarato che volevano divorziare, volontà che hanno poi confermata il 31 marzo 2009 dinanzi al competente giudice civile, al quale hanno altresì chiesto di omologare la convenzione da loro sottoscritta sulle conseguenze accessorie del divorzio.
Il 9 aprile 2009 la Sezione dei permessi e dell'immigrazione del Dipartimento delle istituzioni del Cantone Ticino ha rifiutato di rinnovare il permesso di dimora di A._ e gli ha fissato un termine per lasciare il Cantone. A sostegno della propria decisione ha rilevato che la coppia non conviveva più dal mese di giugno 2008, motivo per cui era venuto a mancare lo scopo per il quale l'autorizzazione di soggiorno era stata concessa.
La decisione è stata confermata su ricorso dapprima dal Consiglio di Stato, il 9 giugno 2009, e poi dal Tribunale cantonale amministrativo, con giudizio del 17 agosto successivo.
B. Il 24 settembre 2009 A._ ha presentato dinanzi al Tribunale federale un ricorso con cui chiede che la sentenza cantonale sia annullata e che venga rinnovato il suo permesso di dimora. Postula inoltre la concessione dell'effetto sospensivo nonché domanda di essere esentato dal dovere versare un anticipo per le spese giudiziarie presunte.
Il Tribunale federale non ha ordinato uno scambio di allegati scritti.

Diritto:
1. Il Tribunale federale esamina d'ufficio e con piena cognizione la sua competenza (<ref-law>), rispettivamente l'ammissibilità dei gravami che gli vengono sottoposti (<ref-ruling> consid. 1; <ref-ruling> consid. 1.1 con riferimenti).
2. Il ricorrente ha omesso di precisare per quale via di diritto intendeva procedere. Tale imprecisione non comporta comunque alcun pregiudizio per lui, se il suo allegato adempie le esigenze formali del tipo di ricorso effettivamente esperibile (<ref-ruling> consid. 1.2; <ref-ruling> consid. 1.2 con rinvii).
L'impugnativa è stata presentata contro una decisione di ultima istanza cantonale in una causa di diritto pubblico; occorre quindi esaminare se la stessa sia ricevibile quale ricorso in materia di diritto pubblico.
3. 3.1 Giusta l'art. 83 lett. c n. 2 LTF, il ricorso in materia di diritto pubblico è inammissibile contro le decisioni in materia di diritto degli stranieri concernenti i permessi o autorizzazioni al cui ottenimento né il diritto federale né il diritto internazionale conferiscono un diritto (<ref-ruling> consid. 2.3; <ref-ruling> consid. 1).
3.2 Secondo l'art. 42 cpv. 1 LStr (RS 142.20), il coniuge straniero di un cittadino svizzero ha diritto al rilascio e alla proroga del permesso di dimora se coabitano. L'art. 40 LStr prevede una deroga all'esigenza della coabitazione se possono essere invocati motivi gravi che giustificano il mantenimento di residenze separate e se la comunità familiare continua a sussistere.
Nel caso concreto il ricorrente non convive più con la moglie dal mese di giugno 2008 e la comunità familiare non è stata mantenuta. Egli non può pertanto pretendere alla proroga del permesso di dimora in virtù dell'art. 42 cpv. 1 LStr.
3.3 Conformemente all'art. 50 cpv. 1 LStr, dopo lo scioglimento del matrimonio o della comunità familiare, il diritto del coniuge al rilascio e alla proroga del permesso di dimora in virtù dell'art. 42 LStr sussiste se l'unione coniugale è durata almeno 3 anni e l'integrazione è avvenuta con successo (lett. a) o se gravi motivi personali rendono necessario il prosieguo del soggiorno in Svizzera (lett. b).
Il ricorrente afferma di essere bene integrato e facendo valere che la convivenza con la moglie è durata 2 anni e 8 mesi, rispettivamente 2 anni 10 mesi (se si considera che è arrivato in Svizzera nell'agosto 2005 e che si è sposato nell'ottobre 2005), domanda che il termine di tre anni previsto dalla legge non sia interpretato in maniera troppo restrittiva. Sostiene poi che un suo ritorno in Brasile gli porrebbe delle grosse difficoltà di reinserimento. Senonché niente di quanto addotto in concreto permette di derogare al termine triennale previsto dll'art. 50 cpv. 1 lett. a LStr oppure di considerare realizzati i "gravi motivi personali" di cui all'art. 50 cpv. 1 lett. b LSttr (cfr. anche Messaggio dell'8 marzo 2002 relativo alla legge federale sugli stranieri in: FF 2002 3327 segg., n.1.3.7.6 pag. 3370 seg.). Nemmeno in virtù di questa norma il ricorrente può quindi affermare di avere il diritto alla proroga del suo permesso di dimora.
3.4 Il ricorrente infine non pretende, a ragione, di adempiere i requisiti affinché possa invocare l'art. 8 CEDU (cfr. in proposito <ref-ruling> consid. 3.1; <ref-ruling> nsid. 5.3.1, 215 consid. 4.1).
3.5 Da quanto precede discende che il ricorrente non può vantare un diritto a soggiornare in Svizzera né in virtù della legislazione interna né in base ad un accordo internazionale. Il gravame è quindi inammissibile quale ricorso in materia di diritto pubblico (art. 83 lett. c n. 2 LTF).
4. Infine, nella misura in cui l'impugnativa non soddisfa minimamente le esigenze di motivazione previste dagli art. 116 e 117 LTF in relazione con l'<ref-law> per il ricorso sussidiario in materia costituzionale, non avendo il ricorrente evocato la violazione di alcun diritto costituzionale, anche trattato come tale (cfr. <ref-law>) il gravame è irricevibile.
5. 5.1 Per i motivi illustrati, il gravame si avvera pertanto manifestamente inammissibile (<ref-law>) e va deciso secondo la procedura semplificata dell'<ref-law>.
5.2 Dal momento che il ricorso era sin dall'inizio privo di possibilità di esito favorevole, la domanda di assistenza giudiziaria dev'essere parimenti respinta (<ref-law>). Le spese giudiziarie vanno pertanto poste a carico del ricorrente, secondo soccombenza (art. 66 cpv. 1 e 65 LTF). Non si assegnano ripetibili ad autorità vincenti (<ref-law>).

Per questi motivi, il Tribunale federale pronuncia:
1. Il ricorso è inammissibile.
2. La domanda di assistenza giudiziaria è respinta.
3. Le spese giudiziarie di fr. 500.--. sono poste a carico del ricorrente.
4. Comunicazione al ricorrente, alla Sezione dei permessi e dell'immigrazione del Dipartimento delle istituzioni, al Consiglio di Stato e al Tribunale amministrativo del Cantone Ticino nonché all'Ufficio federale della migrazione.