Sachverhalt:
A. X._ wird vorgeworfen, in der Zeit vom 14. Januar bis zum 30. Mai 2006 in Zürich und Umgebung 25 bewaffnete Raubüberfälle auf Tankstellenshops und Filialen der Migros bzw. des Coops verübt und dabei rund Fr. 110'000.-- erbeutet zu haben. In allen Fällen habe er die geladene, durchgeladene und entsicherte Pistole auf die Geschädigten gerichtet und sie dadurch in eine akute, unmittelbare Lebensgefahr gebracht. Im ersten Fall habe er zwei gezielte Schüsse auf die Beine der Tankstellenangestellten abgegeben, um ihren Widerstand zu brechen. Beide Projektile durchdrangen den linken Oberschenkel der Geschädigten, ohne eine akute Lebensgefahr herbeizuführen. ln einem anderen Fall habe er zur Einschüchterung der Geschädigten einen gezielten Schuss zur Decke abgegeben und einen Kunden mit einem Kinnhaken zu Boden geschlagen. Einem anderen Tankstellenangestellten habe er - um dessen Widerstand zu brechen - in das Bein schiessen wollen. Als er den Abzug betätigt habe, habe sich wegen einer zufälligen Funktionsstörung im Abzugsmechanismus kein Schuss gelöst. Darauf habe er dem Geschädigten mehrmals die Pistole auf den Kopf geschlagen, wodurch dieser drei Rissquetschwunden erlitten habe.
B. Das Obergericht des Kantons Zürich verurteilte X._ am 9. Januar 2008 wegen mehrfachen qualifizierten Raubes und mehrfachen Vergehens gegen das Waffengesetz zu 13 Jahren Freiheitsstrafe. Das Kassationsgericht des Kantons Zürich hob am 8. Dezember 2008 das Urteil auf und wies die Sache zur Neubeurteilung zurück.
Das Obergericht setzte am 17. September 2009 die Freiheitsstrafe auf 12 3⁄4 Jahre fest und bestätigte im Übrigen sein erstes Urteil.
Eine zweite Nichtigkeitsbeschwerde wies das Kassationsgericht am 1. November 2010 ab.
C. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, er sei mit einer Freiheitsstrafe von höchstens 11 Jahren zu bestrafen; eventualiter sei das angefochtene Urteil aufzuheben und die Sache zur Neubeurteilung des Strafmasses an die Vorinstanz zurückzuweisen.

Erwägungen:
1. Der Beschwerdeführer beanstandet die vorinstanzliche Strafzumessung (Art. 47 und 50 StGB).
Im Urteil vom 9. Januar 2008 habe die Vorinstanz die Strafzumessung abgehandelt und eine Freiheitsstrafe von 13 Jahren ausgefällt. Im zweiten habe sie den Text über die Strafzumessung aus dem ersten Urteil übernommen und einen Einschub von sieben Zeilen eingefügt. Leicht strafmindernd werde nun zusätzlich in Betracht gezogen, dass das Verfahren vor dem Kassationsgericht und der zweite Prozess vor Obergericht rund 1 1⁄2 Jahre gedauert haben. In gleicher Weise sei auch der insgesamt positiv lautende Führungsbericht der Strafanstalt Bostadel zu werten. Mit dieser Begründung komme das Obergericht neu auf eine Strafe von 12 3⁄4 Jahre. Die Reduktion auf die ursprüngliche Strafe betrage ganze 1,9 %. Im gleichen Urteil habe die Vorinstanz auch das Urteil gegen den Mittäter des Beschwerdeführers modifiziert. Bei jenem habe sie den Zeitablauf seit dem ersten Urteil sowie den guten Führungsbericht leicht strafmindernd gewertet und die Strafe von 6 auf 5 3⁄4 Jahre herabgesetzt.
Die Strafreduktion erscheine als geradezu willkürlich und unangemessen. In der für beide Mittäter gleich langen, indes marginalen Verkürzung der Strafdauer liege eine unzulässige Ungleichbehandlung, die zudem nicht begründet werde.
Die Vorinstanz habe die von der Verteidigung geltend gemachten Strafzumessungsfaktoren - insbesondere die persönlichen Verhältnisse - nicht im Einzelnen gewürdigt und gewertet. Seine schwierige Kinder- und Jugendzeit, das fehlende Familienleben und die fehlende Beziehung zur Mutter werde von ihr nicht in die Urteilsfindung miteinbezogen. Sie erwähne zwar, dass der Beschwerdeführer seine drei Kinder in der Dominikanischen Republik monatlich unterstütze, doch setze sie sich nicht mit dem Umfeld und seinen Beweggründen auseinander, warum er überhaupt in die Schweiz gekommen sei. Es sei notorisch, dass Männer aus Ländern wie der Dominikanischen Republik sich mit Europäerinnen verheirateten, um hier arbeiten zu können. In vielen Fällen sei dies die einzige Lösung, genügend Geld für den Unterhalt der Familie zu generieren. Er fühle sich gegenüber seiner Familie verantwortlich und habe mindestens wöchentlich telefonischen Kontakt mit seiner Familie. Demzufolge sei der Schluss der Vorinstanz, er sei von der Trennung von seiner Familie nicht oder nur wenig betroffen, weshalb nicht von einer erhöhten Strafempfindlichkeit auszugehen sei, nicht haltbar.
Er habe sich bei all seinen Opfern entschuldigt und bereue seine Tat. Eine Geschädigte habe seine Entschuldigung akzeptiert, mit ihm das Gespräch gesucht und besuche ihn nun regelmässig im Gefängnis. Dies beweise, dass die Annahme der Vorinstanz, es liege weder echte Einsicht noch Reue vor, nicht zutreffe.
Der Beschwerdeführer bringt weiter vor, er habe sich in der Strafanstalt Bostadel einer Therapie unterzogen mit dem Zweck, das Geschehene aufzuarbeiten. Der Therapiebericht vom 27. Juli 2010 zeige, dass die Strafzumessung den Verhältnissen des Beschwerdeführers in keiner Weise gerecht werde. Auch attestiere ihm der Bericht Opferempathie.
Die Verfahrensdauer für die Nichtigkeitsbeschwerde, die ein volles Jahr in Anspruch genommen habe, indiziere eine zusätzliche Strafminderung.
Bei einer Wertung aller Strafzumessungsfaktoren erscheine eine Freiheitsstrafe von höchstens 11 Jahren als angemessen.
2. Die Vorinstanz beurteilt das Verschulden des Beschwerdeführers als ausserordentlich schwer. In der vergleichsweise kurzen Zeit von viereinhalb Monaten habe er 25 Raubüberfälle verübt. Die Intensität seines deliktischen Handelns verrate eine sehr grosse kriminelle Energie. Die zahlreichen Geschädigten seien unter massiven psychischen Druck gesetzt worden, indem sie mit einer geladenen und entsicherten Waffe eingeschüchtert und direktvorsätzlich einer sehr grossen Lebensgefahr ausgesetzt worden seien, namentlich in den Fällen, wo er jeweils die Waffe direkt an den Kopf eines Geschädigten gehalten habe. Verschiedene Geschädigte hätten sich in psychologische Behandlung begeben und seien während längerer Zeit traumatisiert geblieben. Zwei Geschädigte hätten ihre Arbeitsstelle verloren bzw. diese aufgeben müssen. Der Angeklagte sei kaltblütig und mit äusserster Rücksichts- und Hemmungslosigkeit vorgegangen. Dabei habe er ein bedenkliches Mass an roher Brutalität offenbart: Einer Geschädigten habe er aus naher Distanz zweimal gezielt in die Beine geschossen. Es sei nur glücklichen Umständen zuzuschreiben, dass die Geschädigte dabei nicht sehr schwer verletzt worden sei. Einem anderen Geschädigten habe er die Pistole mehrmals auf den Kopf geschlagen, wodurch dieser drei Rissquetschwunden erlitten habe, und beim Überfall auf die Coop-Filiale an der Universitätstrasse habe er einen Kunden mit einem Kinnhaken zu Boden geschlagen und einen gezielten Schuss zur Decke abgegeben. In diesem Verhalten komme ein grosses Aggressionspotential zum Ausdruck. Von der Anwesenheit mehrerer Personen in den Lebensmittelläden bzw. Tankstellenshops habe er sich nicht beeindrucken lassen, sondern habe sein Ziel bei sämtlichen Überfällen mit äusserster Konsequenz verfolgt. Mit diesem unverfrorenen und kühnen Vorgehen habe der Angeklagte eine erhebliche Gefährlichkeit manifestiert. Von seltener Dreistigkeit zeuge der Umstand, dass er die gleichen Verkaufsläden mehrmals überfallen und teilweise am gleichen Abend zwei Überfälle hintereinander begangen habe. Schliesslich habe er seine von ihm stark abhängige Freundin auf skrupellose Weise dazu verleitet, sich an dieser Raubserie zu beteiligen. Er habe insgesamt Fr. 110'000.-- erbeutet und offensichtlich allein aus finanziellen Beweggründen gehandelt. Seine Behauptung, er sei unter dem Druck einer Familie in der Dominikanischen Republik gestanden, weil er mit deren minderjährigen Tochter sexuellen Kontakt gehabt habe, und er habe dieser Familie deshalb insgesamt Fr. 30'000.-- bezahlen müssen, sei zwar nicht widerlegbar, liefere aber keine plausible Erklärung des Motivs für die ganze Raubserie. Zu beachten sei, dass er mit derselben Behauptung bereits von seiner Freundin erhebliche Geldbeträge erhältlich gemacht habe: Sie habe ihm aus diesem Grund ihr erspartes Geld von Fr. 16'000.-- geschenkt und ausserdem einen Kredit von Fr. 7'000.-- aufgenommen.
Stark straferhöhend zu berücksichtigen sei die mehrfache Tatbegehung, während der Verstoss gegen das Waffengesetz kaum mehr ins Gewicht falle. Strafmilderungsgründe seien keine ersichtlich. Leicht strafmindernd seien sein weitgehendes Geständnis, seine Vorstrafenlosigkeit und der Umstand zu berücksichtigen, dass aufgrund der Rückweisung durch das Kassationsgericht gut 1 1⁄2 Jahre vergangen seien. Gleich wirke sich auch der insgesamt positiv lautende Führungsbericht der Strafanstalt Bostadel aus. Nachdem der Angeklagte in der Hauptverhandlung versucht habe, sein jeweiliges Tatvorgehen zu verharmlosen, müsse angenommen werden, dass sein Teilgeständnis nicht auf echter Einsicht und Reue beruhe. Schliesslich könne nicht von erhöhter Strafempfindlichkeit ausgegangen werden, da der Angeklagte schon vor seiner Inhaftierung seit einiger Zeit von seinen Kindern getrennt gelebt habe. Insgesamt erscheine eine Freiheitsstrafe von 12 3⁄4 Jahren als angemessen.
3. Es liegt im Ermessen des Sachrichters, in welchem Umfang er die verschiedenen Strafzumessungsfaktoren berücksichtigt. Die Strafrechtliche Abteilung des Bundesgerichts greift auf Beschwerde in Strafsachen hin nur in die Strafzumessung ein, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat, wenn sie von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist oder wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen beziehungsweise in Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat.
Nach <ref-law> hat der Richter die für die Zumessung der Strafe erheblichen Umstände und deren Gewichtung festzuhalten. Diese nunmehr gesetzlich vorgeschriebene Begründungspflicht entspricht der Rechtsprechung des Bundesgerichts zum alten Recht, wonach der Richter die Überlegungen, die er bei der Bemessung der Strafe vorgenommen hat, in den Grundzügen wiedergeben muss, so dass die Strafzumessung nachvollziehbar ist. Besonders hohe Anforderungen an die Begründung der Strafzumessung werden unter anderem gestellt, wenn die ausgesprochene Strafe ungewöhnlich hoch oder auffallend milde ist (BGE 134 IV 17 E. 2.1 mit Hinweisen).
4. Die Vorinstanz hat die Strafzumessung ausführlich begründet.
4.1 Der generelle Einwand des Beschwerdeführers, die Vorinstanz habe die von ihm geltend gemachten Strafzumessungsfaktoren nicht im Einzelnen gewürdigt und gewertet und das Urteil setze sich nicht bzw. nicht angemessen mit seinen persönlichen Verhältnissen auseinander, ist unbehelflich. Der Beschwerdeführer hätte im Einzelnen die Elemente nennen müssen, welche seiner Auffassung nach keinen Eingang in die Beurteilung fanden; insoweit kommt er seiner Begründungspflicht ungenügend nach. Im Übrigen hat er keinen Anspruch darauf, dass sich das Gericht mit all seinen Vorbringen auseinandersetzt (<ref-ruling> E. 2c mit Hinweisen). Insoweit ist auf die Beschwerde nicht einzutreten.
4.2 Der Beschwerdeführer legt einen Therapiebericht vom 27. Juli 2010 und eine Besuchsbewilligung einer Geschädigten vom November 2010 ins Recht. Diese Beweismittel sind neu. Da die vorinstanzliche Begründung keinen Anlass gab, sie einzureichen, ist darauf nicht einzutreten (<ref-law>).
4.3 Ob der Zeitablauf von 11⁄2 Jahren wegen des Verfahrens vor Kassationsgericht sowie der insgesamt positiv lautende Führungsbericht der Strafanstalt Bostadel zu einer Reduktion des Strafmasses von mehr als drei Monaten hätte führen müssen, kann offenbleiben. Jedenfalls blieb die Vorinstanz angesichts der gesamten Zumessungsmerkmale mit der konkreten Strafe im Rahmen ihres Ermessens.
4.4 Aus dem Umstand, dass die Vorinstanz auch beim Mittäter des Beschwerdeführers eine Reduktion der Strafe um drei Monate (von sechs Jahren Freiheitsstrafe auf 53⁄4 Jahre) vorgenommen hat, kann der Beschwerdeführer nichts zu seinen Gunsten ableiten. Dass die neuen Umstände (Zeitablauf und Führungsbericht) bei Strafen von 13 und 6 Jahren gleich in Anschlag gebracht wurden, erscheint vertretbar. Ein Anspruch auf gleiche, prozentual berechnete Reduktion besteht nicht. Zudem musste beim Mittäter der positive Führungsbericht nicht wegen disziplinarischer Verstösse relativiert werden (angefochtener Entscheid S. 27).
4.5 Eine besondere Strafempfindlichkeit des Beschwerdeführers hat die Vorinstanz zu Recht verneint. Die Verbüssung einer Freiheitsstrafe ist für jeden arbeitstätigen und in ein familiäres Umfeld eingebetteten Beschuldigten mit einer gewissen Härte verbunden. Als unmittelbare gesetzmässige Folge jeder Sanktion darf diese Konsequenz daher nur bei Vorliegen aussergewöhnlicher Umstände erheblich strafmindernd wirken.
Der Beschwerdeführer hat in der Dominikanischen Republik drei Kinder von zwei Frauen, ist unverheiratet und lebte schon vor seiner Inhaftierung seit einiger Zeit von seinen Kindern getrennt. Mit den Vorbringen, verheiratet und berufstätig zu sein und ein intaktes Sozialleben zu führen, macht der Beschwerdeführer keine aussergewöhnlichen Umstände geltend (Bundesgerichtsurteil 6B_294/2010 vom 15. Juli 2010, E. 3.3.1 mit Hinweisen).
Im gleichen Zusammenhang rügt der Beschwerdeführer zu Unrecht, die Vorinstanz setze sich nicht mit dem Umfeld (fehlendes Familienleben und fehlende Beziehung zu Mutter und Vater) und seinen Beweggründen auseinander, warum er überhaupt in die Schweiz gekommen sei. Die Vorinstanz hat nämlich die Jugend des Beschwerdeführers ausdrücklich beschrieben und zusätzlich auf die Personalakten, die Befragung zur Person bei der Polizei, bei der Staatsanwaltschaft und anlässlich der Hauptverhandlung verwiesen (angefochtener Entscheid S. 28 f. Ziff. 5.3).
4.6 Der Beschwerdeführer macht geltend, er habe sich bei allen Opfern entschuldigt und seine Taten bereut, weshalb ihm die Vorinstanz echte Einsicht und Reue hätte zugute halten müssen.
Die Vorinstanz stellt fest, dass der Beschwerdeführer in der Hauptverhandlung versuchte, sein jeweiliges Tatvorgehen zu verharmlosen, und kommt zum Schluss, dass sein Teilgeständnis nicht auf echter Einsicht und Reue beruhe. Diese Beurteilung ist nicht zu beanstanden. Daran ändert auch seine generelle Entschuldigung anlässlich seines letzten Wortes bei der Hauptverhandlung nichts.
4.7 Insgesamt ist das Strafmass jedenfalls nicht unhaltbar hoch, so dass eine Ermessensverletzung zu verneinen ist. Die Vorinstanz hat die strafzumessungsrelevanten Tatsachen nachvollziehbar dargelegt und damit auch die Begründungsanforderungen erfüllt.
5. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist.
Der Beschwerdeführer stellt ein Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege. Da seine Begehren von vornherein aussichtslos erschienen, ist das Gesuch abzuweisen (<ref-law>). Bei der Bemessung der Gerichtskosten ist jedoch seinen finanziellen Verhältnissen Rechnung zu tragen.

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. 800.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, der Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich und dem Obergericht des Kantons Zürich, II. Strafkammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 21. März 2011
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Der Gerichtsschreiber:
Favre Borner