Ritenuto in fatto e considerando in diritto:
1. 1.1 B._ è il figlio di A._ e C._. Il 28 marzo 2007 il Pretore del Distretto di Bellinzona, adito da A._, ha ridotto il contributo alimentare mensile per B._, inizialmente fissato in un contratto di mantenimento del 21 febbraio 2005 approvato dalla competente Commissione tutoria regionale, da fr. 800.-- a fr. 675.-- per il periodo dal 6° al 12o compleanno e da fr. 900.-- a fr. 775.-- per il periodo seguente.
1.2 Il 26 ottobre 2007 A._ si è sposato con D._ e dalla nuova unione è nato E._. In seguito a questa nuova paternità, A._ ha presentato una seconda azione di riduzione del contributo di mantenimento. La causa si è conclusa il 10 giugno 2008 con una transazione innanzi al Pretore, in cui l'attore si impegnava a versare al figlio B._ un contributo alimentare mensile di fr. 640.-- dal 7° al 12° anno di età e di fr. 740.-- dal 13° anno di età fino alla maggiore età o alla conclusione di una formazione appropriata.
1.3 Il 31 luglio 2008 A._ ha presentato una terza azione di riduzione del contributo alimentare mensile per B._ che il Pretore ha respinto con sentenza 7 maggio 2009. Il Giudice di prime cure ha considerato che non è intervenuta alcuna modifica delle circostanze suscettibile di giustificare un'ulteriore riduzione, poiché quando aveva concluso la transazione l'attore non poteva ignorare che la moglie avrebbe comunicato 7 giorni dopo al suo datore di lavoro di non più riprendere l'attività professionale alla fine del congedo maternità.
2. Il 3 giugno 2009 la I Camera civile del Tribunale di appello del Cantone Ticino ha respinto un appello di A._ e ha confermato il giudizio pretorile. I Giudici cantonali hanno ritenuto in via principale che l'appellante aveva concluso la transazione 10 giugno 2008 con una riserva mentale (l'intenzione di chiedere poche settimane dopo una nuova riduzione del contributo a causa della cessazione dell'attività lucrativa della moglie) di cui egli non può prevalersi. In via subordinata hanno indicato che il raffronto fra le condizioni in cui le parti si trovavano al momento in cui il contributo è stato fissato o modificato per l'ultima volta e quelle che sussistono quando il giudice statuisce sulla domanda di modifica del contributo è decisivo e che in concreto l'insorgente non accenna ad alcun paragone, ma calcola il contributo alimentare come se questo fosse da fissare ex novo. La Corte cantonale non ha infine concesso il gratuito patrocinio all'appellante per carenza di possibilità di esito favorevole della domanda di riduzione del contributo alimentare e ha confermato per tale motivo l'analoga decisione pretorile.
3. Con ricorso in materia civile del 7 luglio 2009 A._ postula l'annullamento della sentenza di appello e la sua modifica nel senso che il contributo da lui versato per il figlio B._ sia ridotto a fr. 306.-- mensili e che egli sia ammesso al beneficio dell'assistenza giudiziaria. In via subordinata domanda che dopo l'annullamento della sentenza di appello la causa sia ritornata all'autorità inferiore per nuovo giudizio nel senso dei considerandi. Chiede pure di essere posto al beneficio dell'assistenza giudiziaria nella procedura federale.
Il ricorrente contesta di aver concluso la transazione giudiziale con una riserva mentale e nega di essere stato a conoscenza dell'intenzione della moglie di non voler più riprendere la sua attività lucrativa. Afferma poi che la procedura è retta dal principio inquisitorio illimitato e assevera che l'unica, ma notevole, modifica intervenuta dal momento in cui è stata stipulata la transazione consiste nel fatto che la moglie ha cessato la sua attività lucrativa con la conseguente perdita di tale salario. Ritiene quindi che il contributo alimentare andava ricalcolato come proposto e sostiene che esso andrebbe pure ridotto in applicazione della clausola rebus sic stantibus e del principio della parità di trattamento fra fratelli: a sostegno di tale argomento afferma che la moglie riceverebbe dal primo marito per i due figli nati da quel matrimonio alimenti mensili, che ammontano a fr. 278.-- per il primo e a fr. 248.-- per il secondo. Critica infine la giurisprudenza cantonale in materia di calcolo del contributo alimentare.
Non è stato ordinato uno scambio di scritti.
4. Litigioso è innanzi tutto l'ammontare del contributo alimentare dovuto a un figlio. Tale controversia è stata decisa con una decisione finale emanata nell'ambito di una causa civile di natura pecuniaria (<ref-law>; <ref-ruling> consid. 2), il cui valore litigioso (<ref-law>) raggiunge la soglia di fr. 30'000.-- prevista dall'<ref-law> per poter inoltrare un ricorso in materia civile. Tale via di ricorso è in concreto pure aperta contro le due decisioni incidentali sull'assistenza giudiziaria che seguono la via d'impugnazione della decisione principale (sentenza 5D_41/2007 del 27 novembre 2007 consid. 2.1 e 2.2). Il tempestivo ricorso (<ref-law>), diretto contro decisioni emanate dal tribunale di ultima istanza ticinese (<ref-law>), è quindi in linea di principio ammissibile.
5. Adito con un ricorso in materia civile, il Tribunale federale applica d'ufficio il diritto (<ref-law>). Non è limitato né dagli argomenti sollevati nel ricorso né dalla motivazione dell'istanza inferiore. Può pertanto accogliere il gravame per un motivo diverso da quelli invocati, ma pure respingerlo con una motivazione diversa da quella adottata nella decisione impugnata (<ref-ruling> consid. 1.1).
6. 6.1 Nella fattispecie sia i giudici cantonali sia il ricorrente paiono aver perso di vista che in virtù dell'<ref-law> i coniugi si devono vicendevolmente adeguata assistenza nell'adempimento dell'obbligo alimentare verso i figli - non comuni - nati prima del matrimonio. In caso di mezzi finanziari insufficienti, tale dovere di assistenza ha per effetto che l'obbligo alimentare verso il figlio prevale su quello verso il coniuge (CYRIL HEGNAUER, Commento bernese, 4a ed. 1997, n. 22 ad <ref-law>) e che quest'ultimo può essere astretto ad iniziare od estendere un'attività lucrativa per contribuire maggiormente ai bisogni dell'economia domestica (CYRIL HEGNAUER, op. cit., n. 51 ad <ref-law>; v. per l'esistenza di un siffatto obbligo anche nel caso di un figlio nato da una relazione extraconiugale <ref-ruling> consid. 3 pag. 71).
6.2 Il ricorrente ha fondato la sua azione sull'errato presupposto che la decisione della moglie di interrompere la sua attività lavorativa costituisca in quanto tale, a causa della diminuzione della disponibilità finanziaria dell'economia domestica, una circostanza che deve portare a un adeguamento nel senso dell'<ref-law> del contributo alimentare dovuto al primogenito. Senonché in presenza di un obbligo alimentare sorto prima del matrimonio, l'esercizio di un'attività lucrativa non è rimesso al libero arbitrio del coniuge del debitore degli alimenti, ma costituisce - in un caso come quello all'esame, in cui il ricorrente pretende di non poter più sovvenire ai bisogni della sua famiglia e al contestato contributo alimentare - un obbligo legale (supra consid. 6.1), il cui mancato adempimento non giustifica una riduzione degli obblighi alimentari verso la prole. Sono certo ipotizzabili costellazioni in cui la cessazione dell'attività lavorativa del coniuge può costituire un motivo che permette di adeguare gli alimenti dovuti ai figli nati prima del matrimonio: si pensi ad esempio al caso in cui il coniuge è costretto a terminare definitivamente la sua attività professionale in seguito ad una grave malattia senza che vengano corrisposte prestazioni assicurative che compensano la perdita del reddito.
In concreto, tuttavia, nemmeno il ricorrente sostiene il verificarsi di una simile eventualità, ma si limita, con riferimento ai motivi che hanno portato la moglie a rinunciare a continuare la propria attività lucrativa, ad apoditticamente affermare che ella è "sovraccarica dal lavoro causato da tre bambini piccoli". Nel ricorso egli indica pure che al momento in cui ha sottoscritto la nota transazione, e quindi dopo la nascita dell'ultimo figlio, la moglie aveva la prospettiva di tornare al lavoro, ma omette di menzionare un qualsiasi motivo che non avrebbe più permesso di esigere da lei la continuazione di tale attività lucrativa, che riusciva peraltro ad esercitare con due bambini piccoli.
6.3 In queste circostanze, poiché la - semplice - cessazione dell'attività lucrativa della moglie non permette al ricorrente di pretendere una riduzione del suo obbligo alimentare nei confronti del primogenito, non occorre esaminare le censure dirette contro l'esistenza di una riserva mentale né le critiche rivolte contro la seconda motivazione contenuta nella sentenza di appello, secondo cui non vi sarebbero elementi che permetterebbero un raffronto fra la situazione esistente quando il contributo è stato modificato e quella del momento in cui il giudice deve statuire sulla nuova domanda di riduzione. Nemmeno il richiamo degli alimenti percepiti dalla moglie per i due bambini nati da un precedente matrimonio è di soccorso al ricorrente. Innanzi tutto, nella fattispecie il principio della parità di trattamento fra fratelli concerne B._ e E._, ma non il primo e i fratelli uterini del secondo, che non sono nemmeno parenti. Inoltre tale questione doveva essere oggetto della precedente causa e non può più essere riproposta. Altrettanto inconferenti ai fini del presente giudizio si rivelano poi le tesi ricorsuali attinenti alla giurisprudenza della Corte di appello concernenti il calcolo degli alimenti.
7. Da quanto precede discende che l'azione di riduzione del contributo alimentare non aveva alcuna possibilità di successo. Per questo motivo devono essere confermate le decisioni di reiezione - basate sull'assenza di possibilità di esito favorevole delle richieste del qui ricorrente - delle domande di assistenza giudiziaria innanzi alle due istanze cantonali. Per il medesimo motivo l'analoga domanda formulata per la sede federale va pure respinta (art. 64 cpv. 1 e 2 LTF) e le spese giudiziarie vanno messe a carico del ricorrente soccombente (<ref-law>).

Per questi motivi, il Tribunale federale pronuncia:
1. Il ricorso è respinto.
2. La domanda di assistenza giudiziaria del ricorrente è respinta.
3. Le spese giudiziarie di fr. 1'000.-- sono poste a carico del ricorrente.
4. Comunicazione alle patrocinatrici delle parti e alla I Camera civile del Tribunale d'appello del Cantone Ticino.