Sachverhalt:
A. Die Kantonspolizei Zürich erfuhr aufgrund einer Telefonüberwachung von einem auf den 29. Mai 2009 geplanten Kokaintransport von den Niederlanden in die Schweiz. Sie überwachte auch Telefonnummern, welche der in der Schweiz wohnhafte X._ alias Y._ benutzte. X._ verabredete sich am 29. Mai 2009 telefonisch mit dem Drogenkurier A._, welcher gleichentags von den Niederlanden in die Schweiz eingereist war. Nach diesem Treffen in der McDonalds-Filiale am Bahnhofplatz Zürich wurden beide verhaftet. A._ trug ca. 1'300 Gramm Kokain auf sich.
Die Staatsanwaltschaft des Kantons Zürich legte X._ gestützt auf die Ereignisse am Tag der Verhaftung, die Auswertung der Telefonkontrolle und die Aussagen von A._ in der Anklageschrift vom 19. März 2010 zur Last, er habe von Anfang März 2009 bis am 29. Mai 2009 verschiedene Kokainlieferungen im Umfang von 500 bis 1800 Gramm übernommen bzw. erwartet. Die Drogen habe er weitergeleitet oder gewinnbringend verkauft. Den Erlös habe er an den Kokainlieferanten in den Niederlanden übermittelt.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 5. Mai 2011 zweitinstanzlich wegen mehrfacher qualifizierter Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz sowie mehrfacher Geldwäscherei zu fünfeinhalb Jahren Freiheitsstrafe. Im Übrigen stellte es fest, dass der erstinstanzliche Freispruch im angeklagten Vorgang 70/6a in Rechtskraft erwachsen ist.
C. Gegen dieses Urteil erhebt X._ Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das Urteil des Obergerichts sei aufzuheben, und er sei vollumfänglich freizusprechen. Es sei ihm eine angemessene Genugtuung für Polizei-, Untersuchungs- und Sicherheitshaft zuzusprechen. Eventualiter sei er des Verstosses gegen Art. 19 Abs. 1 lit. f i.V.m. <ref-law> schuldig zu sprechen und mit einer Freiheitsstrafe von 24 Monaten zu bestrafen, unter Anrechnung der erstandenen Haft und des vorzeitigen Strafvollzugs. Es sei ihm der bedingte Strafvollzug bei einer Probezeit von zwei Jahren zu gewähren, unter Kosten- und Entschädigungsfolgen zulasten der Staatskasse. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. Weiter beantragt er den Beizug der Verfahrensakten.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen den Schuldspruch wegen mehrfacher qualifizierter Widerhandlung gegen das Betäubungsmittelgesetz nach Art. 19 Ziff. 1 Abs. 3, 4, 5 und 6 BetmG i.V.m. <ref-law> (SR 812.121) sowie mehrfacher Geldwäscherei nach <ref-law>. Er bestreitet, in den Drogenhandel involviert gewesen zu sein. Die Vorinstanz würdige die Beweise willkürlich, sie verstosse gegen die Unschuldsvermutung und den Anspruch auf rechtliches Gehör (Ziff. 2 bis Ziff. 6 nachfolgend).
2. 2.1 Die vorinstanzliche Sachverhaltsfeststellung kann nur gerügt werden, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (<ref-law>; vgl. auch Art. 105 Abs. 1 und 2 BGG). Offensichtlich unrichtig im Sinne von <ref-law> ist die Sachverhaltsfeststellung, wenn sie willkürlich ist (<ref-ruling> E. 2.4 S. 313 f. mit Hinweis; vgl. zum Begriff der Willkür <ref-ruling> E. 4.2 S. 560 mit Hinweisen). Ebenfalls unter dem Gesichtspunkt der Willkür prüft das Bundesgericht, inwiefern das Sachgericht den aus der Unschuldsvermutung (<ref-law> und Art. 6 Ziff. 2 EMRK) abgeleiteten Grundsatz "in dubio pro reo" als Beweiswürdigungsregel verletzt hat. Ob dieser Grundsatz als Beweislastregel verletzt ist, prüft es hingegen mit freier Kognition (<ref-ruling> E. 2a S. 40 f. mit Hinweisen).
Wird die Verletzung von Grundrechten (einschliesslich der willkürlichen Anwendung von kantonalem Recht und Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung) gerügt, gelten qualifizierte Anforderungen an die Begründung. Eine solche Rüge prüft das Bundesgericht nicht von Amtes wegen, sondern nur, wenn sie in der Beschwerde vorgebracht und substanziiert begründet worden ist. Das bedeutet, dass klar und detailliert anhand der Erwägungen des angefochtenen Entscheids darzulegen ist, inwiefern verfassungsmässige Rechte verletzt worden sein sollen (<ref-law>; <ref-ruling> E. 1.3.1 S. 68 mit Hinweisen).
2.2 Nicht einzutreten ist auf die Rügen des Beschwerdeführers, welche sie sich auf eine appellatorische Kritik beschränken. Beispielsweise wiederholt er in der Beschwerdebegründung Argumente, welche er bereits im kantonalen Verfahren vorgebracht hatte, ohne auf das angefochtene Urteil einzugehen (z.B. zur Qualität der Übersetzung; zur inhaltlichen Analyse der Telefongespräche und der daraus sich ergebenden Möglichkeit des Rückschlusses auf die Täterschaft; zum Wechsel der Telefonnummern). Streckenweise begründet er seine Rügen nicht näher (z.B. Beschwerde S. 6: er passe nur auf den ersten Blick ins Täterprofil; Beschwerde S. 12: der Dialekt in den Telefongesprächen sei schwierig zu verstehen; Beschwerde S. 16: die Gespräche mit einer Person namens "Bond" seien alles andere als eindeutig; Beschwerde S. 17: die Telefonabhörung sei akustisch und inhaltlich unverständlich; Beschwerde S. 17: die Gesprächsprotokolle eigneten sich mangels der Verständlichkeit nicht als Beweis hinsichtlich "weiterer Teillieferungen").
Gewisse Beweise würdigt er anders als die Vorinstanz, ohne im Ergebnis Willkür aufzuzeigen (z.B. Beschwerde S. 22: A._ habe nicht widerspruchsfrei ausgesagt und einen Anreiz gehabt, ihn zu belasten; der Zug, in welchem er [der Beschwerdeführer] verhaftet worden sei, fahre nicht nach Bülach, und es habe keine Umsteigemöglichkeit gegeben). Er befasst sich namentlich nicht mit den vorinstanzlichen Ausführungen, dass eine Übersetzung durch eine Fachperson möglich war, weshalb die verschiedenen Natelnummern aufgrund des Gesprächsinhalts miteinander in Verbindung gebracht werden können, und aufgrund der übereinstimmenden Terminologie und Themen ein Wechsel der Gesprächsteilnehmer als ausgeschlossen erscheint (angefochtenes Urteil S. 14 ff. mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil S. 9 ff.).
Hinsichtlich der behaupteten einseitigen Auswahl und Unvollständigkeit der Abhörprotokolle (Beschwerde S. 8, S. 18) substanziiert der Beschwerdeführer nicht näher, was sich durch den Einbezug weiterer Protokolle (bzw. durch weitere Übersetzungen) inhaltlich am Beweisergebnis ändern würde. Insoweit vermag er keine Willkür in der Beweiswürdigung aufzuzeigen. Der Verweis auf das erstinstanzliche Urteil genügt ebenso wenig (vgl. Beschwerde S. 19), um die Beweiswürdigung des vorinstanzlichen Entscheids als schlechterdings unhaltbar hinzustellen. Entgegen seiner Darstellung hält es die Vorinstanz nicht für irrelevant, wer telefonierte (S. 13 N. 20 f. der Beschwerdeschrift), sondern sie lehnte den Beweisantrag auf eine gerichtliche Anhörung der Telefongespräche ab, weil der übersetzte telefonische Dialog bereits in den Gerichtsakten enthalten war, und die Richter die Gesprächsteilnehmer mangels Kenntnissen der Sprache "Igbo" nicht hätten identifizieren können (angefochtenes Urteil S. 11 ff.). Mit dieser Begründung setzt sich der Beschwerdeführer nicht auseinander. Entgegen der Beschwerde vermag der Umstand, dass die Gespräche mit verschiedenen Teilnehmern erfolgt sind, keinen Zweifel an der Täterschaft des Beschwerdeführers zu erwecken (Beschwerde S. 16).
3. 3.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Mobilfunknummern und Gespräche könnten nicht zweifelsfrei ihm zugeordnet werden. Er habe nie mit Drogen gehandelt oder solche Telefonate geführt. Alleine aufgrund des Gesprächsinhalts lasse sich nicht auf ihn als Täter schliessen. In der Asylunterkunft, in welcher er gewohnt habe, hätten die Bewohner die Mobiltelefone gemeinsam genutzt. Ausserdem sei keine der sieben überwachten Telefonnummern auf ihn registriert. Die Vorinstanz würdige diese entlastenden Umstände nicht hinreichend (Beschwerde S. 9 ff.). Aus der Sicherstellung des Kokains beim Drogenkurier A._ könne nichts in Bezug auf den Inhalt der Telefongespräche und auf frühere Kokaingeschäfte abgeleitet werden. Ein direkter Beweis fehle, dass er Geschäfte mit Kokain abgewickelt habe (Beschwerde S. 14 f.).
3.2 Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers sind die Beweismittel nicht auf direkte Beweise beschränkt. Die Vorinstanz geht für die Zuordnung der Natelnummern von den Ereignissen am Verhaftstag aus. Die Telefone mit den Rufnummern aaa und bbb 18 konnten anlässlich der Verhaftung beim Beschwerdeführer sichergestellt werden. Die von beiden Nummern aus geführten Gespräche ordnet die Vorinstanz dem Beschwerdeführer zu. Dieser bestätigt, am Verhaftstag dreimal mit A._ über die Nummer aaa telefoniert zu haben (angefochtenes Urteil S. 13). Indessen bestreitet er die gleichentags geführten Telefonate mit zwei niederländischen Anschlüssen. Gemäss der aktenkundigen Telefonüberwachung erkundigte sich jemand von der Rufnummer des Beschwerdeführers bei einem niederländischen Gesprächsteilnehmer nach einer Person, die sich melden sollte. Nach dem ersten Telefonat zwischen dem Drogenkurier A._ und dem Beschwerdeführer wurde über die Natelnummer des Beschwerdeführers mitgeteilt, die gesuchte Person habe sich gemeldet (angefochtenes Urteil S. 20). Die Vorinstanz wertet die Aussagen des Beschwerdeführers, welcher die Telefonate in die Niederlande bestreitet, als unglaubhaft (angefochtenes Urteil S. 22 f.). Dies ist nicht zu beanstanden, zumal der Beschwerdeführer das Natel unbestrittenermassen am selben Tag benutzte und die Gespräche mit dem Kurier sowie auf die niederländischen Nummern kurze Zeit aufeinanderfolgten bzw. abwechslungsweise geführt wurden.
Die Vorinstanz schenkt den Ausführungen des Drogenkuriers A._ zum Grund des Treffens Glauben, weil dieser hinsichtlich des Kokaintransportes sogleich geständig war, konstant ausgesagt bzw. sich selbst belastet hatte und seine Angaben mit den Erkenntnissen aus der Telefonüberwachung übereinstimmen. Nach seinen Angaben nahm er am 29. Mai 2009 mehrmals mit dem Beschwerdeführer über eines der sichergestellten Mobiltelefone Kontakt auf, um das importierte Kokain abzuliefern (angefochtenes Urteil S. 21 f.). Nicht zutreffend ist nach der Auffassung der Vorinstanz die Angabe des Beschwerdeführers, er habe den Kurier zufällig getroffen und ihn um Hilfe bei seiner (des Beschwerdeführers) Ausreise aus der Schweiz bitten wollen. Nach den nachvollziehbaren vorinstanzlichen Erwägungen war das erste Ziel des Kuriers, die Drogen an die Zielperson abzuliefern, und nicht einer Zufallsbekanntschaft Ratschläge für die Ausreise zu erteilen. Hinsichtlich dieser umfassenden und nachvollziehbaren vorinstanzlichen Würdigung zu den Ereignissen am Tag der Verhaftung (Beschwerde S. 20 ff.) vermag der Beschwerdeführer keine Willkür aufzuzeigen. Es leuchtet ein, dass die Vorinstanz den Beschwerdeführer als Abnehmer der Drogen betrachtet, weil der Kurier die Nummer des Beschwerdeführers von seinem niederländischen Drogenlieferanten erhielt.
Nichts zu seinen Gunsten ableiten kann der Beschwerdeführer daraus, dass er die Laptoptasche nicht sogleich entgegengenommen, sondern ein weiteres Treffen mit dem Kurier in Bülach vereinbart hatte, bei der Verhaftung nur wenig Geld auf sich trug und den Kurier zuvor nicht kannte. Nach seiner Vorstellung hatte der Kurier die Kokainfingerlinge geschluckt und musste diese erst ausscheiden, bevor er (der Beschwerdeführer) sie entgegennehmen konnte (vgl. angefochtenes Urteil S. 13 und S. 19 ff.). Dass der Kurier das Kokain weisungswidrig in der Laptoptasche mitführte, wusste der Beschwerdeführer nicht (angefochtenes Urteil S. 20). Die vom Beschwerdeführer aufgelisteten kleineren Unstimmigkeiten in den Aussagen A._s (Beschwerde S. 21) sind nicht von derartiger Bedeutung, dass sie Zweifel am Beweisergebnis hervorrufen könnten. Auch die abstrakte Möglichkeit, dass ein anderer Bewohner des Asylbewerberheims die Handys des Beschwerdeführers benutzt haben könnte, genügt nicht, um wesentliche Zweifel an der Täterschaft des Beschwerdeführers hervorzurufen. Er substanziiert nicht näher, wem er seine Handys überlassen haben will. Nicht aussagekräftig ist, dass die Natelnummern nicht auf den Beschwerdeführer registriert sind. Ein anderes Vorgehen wäre gerade im Bereich des Drogenhandels leichtfertig.
Der Schluss der Vorinstanz, der Beschwerdeführer sei zusammen mit dem Kurier A._ am Drogenhandel beteiligt gewesen und habe dazu die Natels benutzt, welche er am Verhaftstag auf sich trug (aaa und bbb), ist nicht willkürlich und verstösst nicht gegen die vom Beschwerdeführer angerufenen Rechte.
4. 4.1 Der Beschwerdeführer rügt, die vorinstanzliche Beweiswürdigung sei auch hinsichtlich der weiteren überwachten Telefonnummern (ccc, ddd, eee, fff und ggg) willkürlich und verletze die Unschuldsvermutung. Nicht aussagekräftig sei, dass er am 23. Mai 2009 bei einer Polizeikontrolle das Mobiltelefon mit der Rufnummer ggg auf sich getragen habe. Das Gerät sei ihm später entwendet worden.
4.2 Die Vorinstanz geht davon aus, die fünf genannten Rufnummern gehörten dem Beschwerdeführer, und er habe über diese Gespräche betreffend den Drogenhandel geführt. Sie berücksichtigt, dass der Beschwerdeführer wenige Tage vor der Inhaftierung, am 23. Mai 2009, im Besitz des Mobiltelefons mit der Nummer ggg war. Dieser räumt ein, das Gerät mit der Nummer ddd besessen zu haben (angefochtenes Urteil S. 14 f.). Aus der Verwendung von ähnlichen Deckworten und den Gesprächsthemen (Geld, Menge und Qualität gelieferter Waren) zieht die Vorinstanz den Schluss, diese bildeten einen Hinweis auf die Handelstätigkeit mit Kokain (angefochtenes Urteil S. 23 bis S. 40 mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil S. 20 ff.). Auch der Zusammenhang der Natelnummern aufgrund des Gesprächsinhalts, der konstante Kontakt der überwachten Nummern mit niederländischen Mittelsmännern, welche für die Drogenlieferung vom 29. Mai 2009 verantwortlich waren, sowie die Verwendung des Alias-Namens des Beschwerdeführers, Y._, spreche für diese Würdigung (angefochtenes Urteil S. 11 ff.). Die Vorinstanz gelangt aufgrund der Gesamtumstände zur Überzeugung, alle sieben überwachten Telefonanschlüsse seien dem Beschwerdeführer zuzuordnen, und er habe die Gespräche betreffend den Drogenhandel geführt.
4.3 Unbegründet ist der Vorwurf, die Vorinstanz werte die Telefongespräche einseitig unter dem Blickwinkel des Drogenhandels (Beschwerde S. 8). Aufgrund des einschlägigen Kontakts des Beschwerdeführers zum Drogenkurier A._ bestehen klare Anhaltspunkte für seine Beteiligung am Drogenhandel. Die Rügen sind abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
5. 5.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, die Vorinstanz habe seine Beweisanträge auf eine Überwachung der Natelnummern nach seiner Verhaftung und auf eine Stimmenanalyse unter Verletzung von § 31 der Strafprozessordnung des Kantons Zürich (aStPO/ZH, übergangsrechtlich anwendbar gemäss Art. 453 Abs. 1 StPO) abgewiesen.
5.2 Die Vorinstanz lehnte die Beweisanträge des Beschwerdeführers mit überzeugender Begründung ab (vgl. angefochtenes Urteil S. 11 ff.), worauf verwiesen werden kann. Sie durfte auf eine weitere Telefonüberwachung nach der Verhaftung verzichten, weil sich damit nicht beweisen lässt, ob der Beschwerdeführer zuvor telefoniert hatte. Auch der Verzicht auf eine Stimmenanalyse verstösst nicht gegen das Willkürverbot und die Unschuldsvermutung, weil der Beschwerdeführer diesen Antrag im vorinstanzlichen Verfahren zurückgezogen hatte (angefochtenes Urteil S. 16 unten) und weil die übrigen Beweise den willkürfreien Schluss auf die Täterschaft des Beschwerdeführers zulassen.
6. Der Beschwerdeführer rügt, die inhaltliche Würdigung der Telefongespräche sei willkürlich.
6. Der Beschwerdeführer rügt, die inhaltliche Würdigung der Telefongespräche sei willkürlich.
6.1 6.1.1 Der Beschwerdeführer macht geltend, es sei willkürlich, die Telefonate vom 13. März 2009 dahingehend zu werten, dass er am 17. März 2009 zwei Fingerlinge Kokain geliefert habe (Beschwerde S. 17).
6.1.2 Gemäss der Telefonüberwachung unterhielten sich die Abnehmer mit dem Beschwerdeführer über bereits erfolgte Lieferungen, deren Qualität und bisherige Preise (z.B. angefochtenes Urteil S. 29 f.; erstinstanzliches Urteil S. 28). Daraus lässt sich willkürfrei folgern, der Beschwerdeführer habe die am 13. März 2009 telefonisch versprochene Lieferung am 17. März 2009 tatsächlich vorgenommen.
6.1.2 Gemäss der Telefonüberwachung unterhielten sich die Abnehmer mit dem Beschwerdeführer über bereits erfolgte Lieferungen, deren Qualität und bisherige Preise (z.B. angefochtenes Urteil S. 29 f.; erstinstanzliches Urteil S. 28). Daraus lässt sich willkürfrei folgern, der Beschwerdeführer habe die am 13. März 2009 telefonisch versprochene Lieferung am 17. März 2009 tatsächlich vorgenommen.
6.2 6.2.1 Der Beschwerdeführer rügt, es bestehe kein Beweis für die Art und Menge der gehandelten Drogen. Die vorinstanzliche Interpretation der Deckworte sei willkürlich. Es fehle ein Beleg, weshalb "Euro" für Kokain stehen sollte (Beschwerde S. 15 f.). Die Vorinstanz gehe davon aus, die Zahlenangaben beträfen einen Fingerling bzw. Kokainportionen zu je 10 Gramm (angefochtenes Urteil E. 4.3.4). In Widerspruch dazu interpretiere sie die Zahlen als Mengenangaben in Kilogramm oder als Bezeichnung für Geld in Schweizer Franken (angefochtenes Urteil E. 4.5.4 und E. 4.7.4; Beschwerde S. 16 ff.).
6.2.2 Nach den vorinstanzlichen Erwägungen war in den Gesprächen mit einer Drittperson namens B._ von Begriffen wie "Euro", "Karten", "Kleiderstücke", "Menschen", "Ding" und "Sachen" die Rede. Auch der niederländische Lieferant verwendete die Bezeichnung "Menschen". B._ bestellte beim Beschwerdeführer zunächst 10 bis 12 "Euro" und erhöhte nachträglich auf 15. Weiter verlangte er zwei "Menschen". Die Vorinstanz geht aufgrund dieser Telefongespräche davon aus, der Beschwerdeführer habe B._ einmal zwei und einmal fünfzehn Fingerlinge à 10 Gramm Kokain geliefert. "Zwei Menschen" seien nach dem Grundsatz in dubio pro reo ebenfalls zwei Fingerlinge (angefochtenes Urteil E. 4.3. S. 24 ff. mit Verweis auf das erstinstanzliche Urteil S. 44 ff.).
6.2.3 Anhand des bei der Verhaftung beschlagnahmten Kokains von rund 1.3 kg, der Stellung des Beschwerdeführers als Zwischenhändler, seinen internationalen Kontakten sowie dem Inhalt der Telefonate durfte die Vorinstanz ohne Willkür auf die in anderen Fällen gehandelte Menge (im Bereich von mehreren Fingerlingen bis zu knapp 2 Kilogramm) und die Art der Betäubungsmittel schliessen.
Dass die Vorinstanz die Zahlen in gewissen Fällen als Fingerlinge, in anderen aber als Kilogramm interpretiert, verstösst nicht gegen das Willkürverbot. Denn die Gesprächsteilnehmer verwendeten unterschiedliche Begriffe und Zahlenkombinationen, welche die Vorinstanz anhand des jeweiligen Gesprächsinhalts deutete. Aus der Telefonüberwachung ergibt sich, dass die Zahlen zusammenzurechnen sind (insbesondere aus dem angefochtenen Urteil S. 29 ff. E. 4.5 "1 und 3" als 1.3 Kilogramm Kokain; angefochtenes Urteil S. 35 f. E. 4.7.4: "1 und 0" seien übrig bzw. C._ habe ihm lobenswerterweise "1 und 8" gebracht, er habe ihm "1, 6 und 2" gegeben, sowie weitere "zwei, sieben und zwei und zwei Nullen", welche als Geldbeträge von Fr. 16'200.-- und Fr. 27'200.-- gewertet werden). Entgegen der Auffassung des Beschwerdeführers ist die vorinstanzlichen Beweiswürdigung nicht ausschliesslich zu seinen Lasten ausgefallen (Beschwerde S. 18 f., vgl. zur vorinstanzlichen Interpretation der Begriff Menschen E. 6.2.2).
7. 7.1 Der Beschwerdeführer verlangt einen Freispruch vom Vorwurf der Geldwäscherei nach <ref-law>. Es fehle an einem Beweis, dass die durch Kuriere übermittelten Zahlungen von Fr. 172'300.-- aus dem Drogenhandel stammten.
7.2 Der Beschwerdeführer bringt nichts vor, was die Würdigung der Vorinstanz zum Schuldspruch der Geldwäscherei in Frage stellen könnte. Soweit er den Sachverhalt des Drogenhandels bestreitet, kann auf die vorstehenden Erwägungen verwiesen werden (vgl. E. 2 bis E. 5). Nichts abzuleiten vermag der Beschwerdeführer aus dem Umstand, dass die Vorinstanz die Beweise für den Anklagepunkt Nr. 70 nicht als genügend erachtete. Die Rüge ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
8. Der Beschwerdeführer begründet seine Rüge, die Strafe sei unangemessen hoch (Beschwerde S. 6), nicht näher. In diesem Punkt genügt er den Anforderungen von <ref-law> nicht. Darauf ist nicht einzutreten.
9. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Der Beschwerdeführer wird ausgangsgemäss kostenpflichtig (<ref-law>). Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung. Das Gesuch ist abzuweisen, weil die Beschwerde aussichtslos war (<ref-law> e contrario). Seinen angespannten finanziellen Verhältnissen ist mit reduzierten Gerichtskosten angemessen Rechnung zu tragen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 1'600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Zürich, I. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 29. November 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Mathys
Die Gerichtsschreiberin: Koch