Sachverhalt:
A. Y._ und X._ heirateten im November 1998. Sie sind Eltern der im April 2001 geborenen Tochter Z._.
B. B.a Mit Verfügung vom 27. September 2004 bewilligte der Einzelrichter des Bezirksgerichts Zürich den Parteien das Getrenntleben, unterstellte die Tochter der Obhut der Mutter und regelte den persönlichen Verkehr zwischen Tochter und Vater.
B.b Y._ reichte am 13. Februar 2007 die Scheidungsklage ein, der sich X._ widersetzte.
Als vorsorgliche Massnahme für die Dauer des Scheidungsverfahrens verlangte X._ unter anderem die sofortige Zuteilung der elterlichen Obhut an ihn und damit verbunden die Verpflichtung von Y._ zur Leistung von angemessenen Kinderunterhaltsbeiträgen. Der Einzelrichter des Bezirksgerichts Dielsdorf wies diese Anträge mit Verfügung vom 18. September 2008 ab, soweit er darauf eintrat.
B.c Daraufhin gelangte X._ mit Rekurs an das Obergericht des Kantons Zürich. Nachdem er zur Verbesserung seiner Rekursanträge aufgefordert worden war, stellte er unter anderem das Begehren, es sei die Tochter Z._ unter seine Obhut zu stellen. Weiter sei Y._ zu monatlichen Kinderunterhaltsbeiträgen von Fr. 683.-- zu verpflichten und es sei der persönliche Verkehr zwischen Mutter und Tochter zu regeln. Eventualiter verlangte er eine Ausdehnung seines eigenen Besuchsrechts. Mit Beschluss vom 15. Juli 2009 wies das Obergericht den Rekurs ab.
C. X._ (fortan: Beschwerdeführer) ist am 25. August 2009 (Postaufgabe) mit Beschwerde in Zivilsachen an das Bundesgericht gelangt. Er beantragt die vollumfängliche Aufhebung des obergerichtlichen Urteils und wiederholt im Wesentlichen seine vor Obergericht gestellten Anträge betreffend Zuteilung der elterlichen Obhut und Regelung der Kinderunterhaltsbeiträge sowie des Besuchsrechts. Zudem verlangt er eine Berichtigung des Verhandlungsprotokolls des Bezirksgerichts Dielsdorf vom 2. Juli 2008 betreffend die Aussagen der Kindsmutter zur "Engeltherapie".
Mit Eingabe vom 2. September 2009 ersuchte der Beschwerdeführer um Verzicht auf Erhebung eines Kostenvorschusses. Dieses Gesuch wurde mit Verfügung vom 9. September 2009 abgewiesen, worauf innert der angesetzten Nachfrist der Vorschuss geleistet wurde.
Das Obergericht und Y._ (fortan: Beschwerdegegnerin) sind nicht zur Vernehmlassung eingeladen worden.

Erwägungen:
1. Streitgegenstand des vorliegenden Beschwerdeverfahrens bildet die Zuteilung der elterlichen Obhut über die Tochter Z._ sowie die damit verbundene Regelung der Unterhaltspflicht und des Besuchsrechts.
1.1 Mit dem angefochtenen Beschluss des Obergerichts werden die Kinderbelange für die Dauer des Scheidungsverfahrens (<ref-law>) geregelt. Es handelt sich damit um eine Zivilsache im Sinn von <ref-law>. Der obergerichtliche Beschluss ist ein kantonal letztinstanzlicher Endentscheid (Art. 75 Abs. 1 und Art. 90 BGG; <ref-ruling> E. 2.2 S. 431 f., vgl. auch Urteil 5A_649/2007 vom 5. Februar 2008 E. 1.3). Streitig ist insbesondere die Obhutszuteilung über die Tochter, weshalb eine nicht vermögensrechtliche Streitigkeit vorliegt. Die Beschwerde erweist sich somit als grundsätzlich zulässig.
1.2 Der angefochtene Beschluss betrifft schliesslich eine vorsorgliche Massnahme im Sinn von <ref-law>. Damit kann vorliegend einzig die Verletzung verfassungsmässiger Rechte geltend gemacht werden, weshalb die Art. 95 und 97 BGG und auch <ref-law> nicht zur Anwendung gelangen (<ref-ruling> E. 5 S. 396 f., 398 E. 7.1; <ref-ruling> E. 3.3 S. 587, 588 E. 4.1). Die hier gegebenen Verhältnisse entsprechen denjenigen bei der subsidiären Verfassungsbeschwerde (<ref-law>; BGE <ref-ruling> E. 4.1 S. 588 f.). Der Beschwerdeführer muss angeben, welches verfassungsmässige Recht verletzt wurde und substanziiert darlegen, worin die Verletzung besteht (vgl. der zu Art. 90 OG ergangene <ref-ruling> E. 2.1 S. 31). Das Bundesgericht kann die Verletzung eines Grundrechts nur insofern prüfen, als eine solche Rüge in der Beschwerde präzis vorgebracht und detailliert begründet worden ist. Auf rein appellatorische Kritik am angefochtenen Entscheid tritt es nicht ein (<ref-law>; vgl. <ref-ruling> E. 3.2 S. 444). Wird die Verletzung des Willkürverbots gerügt, reicht es nicht aus, die Rechtslage aus Sicht des Beschwerdeführers darzulegen und den davon abweichenden angefochtenen Entscheid als willkürlich zu bezeichnen; vielmehr ist im Einzelnen darzulegen, inwiefern das kantonale Gericht willkürlich entschieden haben soll und der angefochtene Entscheid deshalb an einem qualifizierten und offensichtlichen Mangel leidet (<ref-ruling> E. 4b S. 11 f.).
2. Der Beschwerdeführer verlangt die Obhut über seine Tochter und beruft sich dabei in allgemeiner Weise auf verfassungsmässige Grundsätze, insbesondere auf Art. 29 und Art. 9 BV. Eine Auseinandersetzung mit dem obergerichtlichen Urteil fehlt weitgehend. Stattdessen schildert der Beschwerdeführer seine Sichtweise der Geschehnisse und wiederholt auf weiten Strecken seine bereits im kantonalen Verfahren gemachten Ausführungen. Damit genügt die Beschwerde den Begründungsanforderungen für eine Anfechtung eines Massnahmeentscheids nicht (E. 1.2). Es ist vorliegend weder ersichtlich noch in nachvollziehbarer Weise aufgezeigt, weshalb und inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt sein sollten oder der Sachverhalt in willkürlicher Weise festgestellt worden wäre.
Im Einzelnen ergibt sich Folgendes:
2.1 Wie bereits zuvor im kantonalen Verfahren macht der Beschwerdeführer hauptsächlich geltend, dass eine Obhutsumteilung wegen des negativen Einflusses von R._, dem Freund der Beschwerdegegnerin, auf seine Tochter erforderlich sei.
Das Obergericht setzt sich in seinem Urteil auf sechs Seiten eingehend mit dem behaupteten Einfluss und den angeblichen Gewaltübergriffen von R._ auseinander. Dabei kommt es insbesondere zum Schluss, dass dieser zwischenzeitlich nicht mehr der Lebenspartner der Kindsmutter sei, sondern die Beschwerdegegnerin lediglich gelegentlich besuche. Damit sei R._ nur sporadisch im Haushalt der Beschwerdegegnerin anwesend. Den Ausführungen des Beschwerdeführers sei zudem nicht zu entnehmen, inwiefern polizeiliche Strafuntersuchungen seine Vorwürfe gegenüber R._ bekräftigt hätten. Bis zum Beweis des Gegenteils habe aber jede Person als anständig und ehrbar zu gelten. Ohnehin müssten wegen eines einmaligen Vorkommnisses vor mehreren Jahren keine künftigen Gewaltübergriffe auf das Kind befürchtet werden. Zudem zeige der Beschwerdeführer nicht auf, weshalb die Beschwerdegegnerin nicht gewillt oder befähigt wäre, nötigenfalls gegen ungebührliches Verhalten ihrer Freunde zu intervenieren. Auch lasse die Tatsache, dass sich R._ seit dem Erleiden eines Burnouts in psychiatrischer Behandlung befinde, keine besondere Gefährdung erkennen.
Anstatt sich mit diesen obergerichtlichen Begründungen auseinander zu setzen und auf diese einzugehen, wiederholt der Beschwerdeführer seine bereits vor den kantonalen Instanzen erhobenen seitenlangen Vorwürfe gegenüber R._. Damit genügt er den Begründungsanforderungen in keiner Weise. Weder geht aus seinen Ausführungen hervor, weshalb die obergerichtlichen Sachverhaltsfeststellungen offensichtlich falsch und damit willkürlich sein sollten noch ist eine Verletzung der verfassungsmässigen Verfahrensgarantien erkennbar. Insbesondere ist es nicht ersichtlich, inwiefern die Argumentation des Obergerichts widersprüchlich und die Auswertung der Aussagen der Parteien willkürlich sein sollte, wie es der Beschwerdeführer in allgemeiner Weise behauptet. Auf die diesbezüglichen Vorbringen ist somit nicht einzutreten.
2.2 Das Gesagte gilt auch betreffend die Vorbringen zur behaupteten mangelhaften Erziehungsfähigkeit der Beschwerdeführerin. Erneut beanstandet der Beschwerdeführer in diesem Zusammenhang die Teilnahme der Beschwerdeführerin an einer "Engelstherapie", ohne auf die eingehenden diesbezüglichen Ausführungen des Obergerichts einzugehen. Soweit er zudem den Vermerk dieser Therapie im Protokoll der bezirksgerichtlichen Verhandlung vom 2. Juli 2008 verlangt und insofern vor Bundesgericht eine Korrektur dieses Protokolls beantragt, handelt es sich um ein unzulässiges neues Begehren (<ref-law>). Hinzu kommt, dass der Beschwerdeführer versucht, die behauptete mangelhafte Erziehungsfähigkeit mit teilweise neuen und daher vor Bundesgericht unzulässigen Beispielen zu untermauern. So ist insbesondere sein Vorbringen betreffend das verspätete Aufsuchen eines Arztes nach einem Skiunfall der Tochter vorliegend nicht zu hören.
2.3 Weiter beanstandet der Beschwerdeführer, dass die Befragung seiner Tochter vor Bezirksgericht nicht protokolliert worden ist. Der Verzicht auf die Protokollierung sei zwischen dem damals siebenjährigen Kind und dem Gericht so vereinbart worden, obwohl solche Vereinbarungen mit Kindern gemäss der Zürcher Gerichtspraxis erst ab einem Kindsalter von 12-13 Jahren zulässig seien. Diese Rüge bringt der Beschwerdeführer indes in seinem Rekurs vor Obergericht nicht vor. Sie ist damit neu und folglich vor Bundesgericht unzulässig (<ref-law>).
2.4 Weiter seien die Parteien vor Obergericht nicht angehört worden. Inwiefern jedoch durch die Nichtanhörung verfassungsmässige Rechte verletzt worden wären, wenn der Beschwerdeführer die Anhörung im Rekursverfahren nicht einmal beantragt hat, ist ebenfalls weder begründet noch ersichtlich.
2.5 Betreffend den Eventualantrag, wonach sein Besuchsrecht bei Belassung der Obhut bei der Beschwerdegegnerin neu zu regeln sei, geht der Beschwerdeführer ebenfalls nicht auf die Begründung des Obergerichts ein. Insbesondere setzt er sich mit keinem Wort mit der obergerichtlichen Vermutung auseinander, wonach es dem Beschwerdeführer bei der Ausweitung seines Besuchsrechts wohl primär darum gehe, den Aufenthalt bei der nach seiner Ansicht nicht erziehungsbefähigten Beschwerdegegnerin möglichst zu beschränken. Stattdessen begnügt er sich mit der Behauptung, die aktuelle Besuchsregelung führe zu einer nicht gerechtfertigten Ungleichbehandlung von Mann und Frau.
2.6 Schliesslich verlangt der Beschwerdeführer auch eine Aufhebung des obergerichtlichen Kostenentscheids. Auch dieser Antrag entbehrt einer rechtsgenüglichen Begründung. Zudem ist das kantonale Ermessen bei der Kostenverteilung erheblich. Entgegen der Behauptung des Beschwerdeführers lässt das Vorgehen des Obergerichts auch betreffend Verteilung der Kosten keine Verletzung von Verfahrensgarantien erkennen.
3. Nach dem Gesagten behauptet der Beschwerdeführer in allgemeiner Weise, es seien verfassungsmässige Rechte verletzt worden, ohne sich mit den Erwägungen des Obergerichts auseinander zu setzen. Damit genügt die Beschwerde den Begründungsanforderungen nicht, weshalb nicht darauf einzutreten ist. Ausgangsgemäss trägt der Beschwerdeführer die Kosten (<ref-law>). Soweit sein Ersuchen um Verzicht auf Erhebung eines Kostenvorschusses vom 2. September 2009 überhaupt als Gesuch um Bewilligung der unentgeltlichen Rechtspflege zu verstehen ist, ist darauf mangels rechtsgenüglicher Begründung nicht einzutreten. Ohnehin wäre es abzuweisen, da seine Anträge von vornherein aussichtslos waren (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Auf die Beschwerde wird nicht eingetreten.
2. Auf das Gesuch des Beschwerdeführers um unentgeltliche Rechtspflege wird nicht eingetreten.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 2'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Zivilkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 4. November 2009
Im Namen der II. zivilrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Die Präsidentin: Die Gerichtsschreiberin:
Hohl Gut