Sachverhalt:
A. Der türkische Staatsangehörige X._ (geb. 1980) heiratete am 19. Juni 2005 die damals in der Schweiz niederlassungsberechtigte Landsfrau Z._. Am 24. September 2005 reiste X._ in die Schweiz ein, wo ihm gestützt auf die Heirat eine Aufenthaltsbewilligung erteilt wurde. Im Mai 2006 erwarb seine Ehegattin das Schweizer Bürgerrecht.
Am 27. August 2008 ersuchte X._ erneut um Verlängerung seiner Aufenthaltsbewilligung. Am 11. September 2008 verliess er die eheliche Wohnung und wohnte zunächst bei einem Kollegen; ab 1. November 2008 bewohnte er eine eigene Mietwohnung. Mit Verfügung vom 28. Januar 2009 nahm der Einzelrichter am Bezirksgericht Zürich im Eheschutzverfahren u.a. Vormerk, dass die Ehegatten seit dem 11. September 2008 auf unbestimmte Zeit getrennt lebten.
B. Mit Verfügung vom 22. September 2009 verweigerte die Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich, Migrationsamt, X._ die Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung und setzte ihm eine Frist zum Verlassen der Schweiz bis zum 31. Dezember 2009 an.
Dagegen beschwerte sich X._ ohne Erfolg beim Regierungsrat des Kantons Zürich. Die gegen den Regierungsratsbeschluss erhobene Beschwerde wies das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich am 16. Juni 2010 ab, wobei es gleichzeitig das Gesuch um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege und Verbeiständung ablehnte.
C. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 24. August 2010 beantragt X._, den Entscheid des Verwaltungsgerichts des Kantons Zürich vom 16. Juni 2010 aufzuheben und die Sache zur Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung an das Migrationsamt des Kantons Zürich zurückzuweisen. Weiter stellt er das Begehren, ihm sowohl für das vorinstanzliche als auch für das bundesgerichtliche Beschwerdeverfahren die unentgeltliche Prozessführung und Verbeiständung zu gewähren.
Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich verzichtet auf eine Vernehmlassung und die Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich lässt sich nicht vernehmen. Das Bundesamt für Migration beantragt Abweisung der Beschwerde.

Erwägungen:
1. 1.1 <ref-law> schliesst die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten gegen Entscheide über ausländerrechtliche Bewilligungen aus, auf deren Erteilung weder nach dem Bundes- noch dem Völkerrecht ein Rechtsanspruch besteht.
Unbestritten ist, dass der Beschwerdeführer seit der Aufgabe der ehelichen Wohngemeinschaft keinen Anspruch auf Verlängerung seiner Aufenthaltsbewilligung mehr aus Art. 42 Abs. 1 des auf den 1. Januar 2008 in Kraft getretenen, hier anwendbaren Bundesgesetzes vom 16. Dezember 2005 über die Ausländerinnen und Ausländer (AuG; SR 142.20) herleiten kann. Diese Bestimmung setzt grundsätzlich voraus (hier nicht behauptete Konstellationen im Sinne von Art. 49 AuG ausgenommen), dass der ausländische Ehegatte mit seinem schweizerischen Ehepartner zusammenwohnt.
Nach Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG hat der ausländische Ehepartner auch nach Auflösung der Ehe oder der gemeinsamen Wohnung weiter Anspruch auf Erteilung und Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung nach Art. 42 AuG, wenn die Ehegemeinschaft mindestens drei Jahre gedauert hat und eine erfolgreiche Integration besteht.
Auf diese Anspruchsgrundlage beruft sich der Beschwerdeführer und macht geltend, die Voraussetzungen hierfür seien erfüllt. Diese Behauptung bedarf näherer Prüfung, weshalb die Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten grundsätzlich zulässig ist (<ref-law> a contrario). Ob die in Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG statuierten Voraussetzungen für eine Bewilligungsverlängerung erfüllt sind, bildet Gegenstand der materiellen Beurteilung (vgl. Urteile 2C_521/2010 vom 30. November 2010 E. 1.1; 2C_304/2009 vom 9. Dezember 2009 E. 1.1, nicht publ. in: <ref-ruling>).
1.2 Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, wie ihn die Vorinstanz festgestellt hat (<ref-law>), es sei denn, dieser sei offensichtlich unrichtig oder beruhe auf einer Rechtsverletzung im Sinne von <ref-law> (Art. 105 Abs. 2 bzw. <ref-law>). Eine entsprechende Rüge, welche rechtsgenüglich substantiiert vorzubringen ist (<ref-law>), setzt zudem voraus, dass die Behebung des Mangels sich für den Ausgang des Verfahrens als entscheidend erweist (<ref-law>).
2. Wie erwähnt, beruft sich der Beschwerdeführer ausschliesslich auf Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG und macht geltend, die Ehegemeinschaft mit seiner schweizerischen Ehefrau habe über drei Jahre gedauert.
2.1 Nach der vorinstanzlichen Feststellung ist der Beschwerdeführer am 11. September 2008 aus der ehelichen Wohnung ausgezogen und hat seither getrennt von seiner Frau gewohnt. Der Beschwerdeführer wendet dagegen ein, er habe die eheliche Gemeinschaft nicht als definitiv beendet betrachtet. Sein Auszug aus der ehelichen Wohnung am 11. September 2008 sei nicht geplant gewesen, sondern habe eine spontane Reaktion auf die fehlende Gesprächsbereitschaft seiner Schwiegereltern dargestellt. Vorerst habe er provisorisch bei einem Kollegen gewohnt und anfänglich stets gehofft, dass es doch noch zu einem Gespräch mit der Ehefrau und deren Eltern kommen würde und eine Versöhnung möglich wäre.
Dass im Sinn von Art. 49 AuG wichtige Gründe für getrennte Wohnorte bestanden hätten, behauptet der Beschwerdeführer nicht. Er weist zudem nichts nach, was den bloss vorübergehenden Charakter des Getrenntlebens zu belegen vermöchte. So macht er auch keine regelmässigen ehelichen Kontakte, den Besuch einer Ehetherapie oder andere Umstände geltend, die darauf schliessen liessen, dass konkret mit der Möglichkeit einer Wiederaufnahme des ehelichen Zusammenlebens noch gerechnet werden konnte. Bei dieser Sachlage ist die Feststellung der Vorinstanz, wonach die Auflösung der ehelichen Gemeinschaft am 11. September 2008 erfolgte, nicht zu beanstanden.
2.2 Der Beschwerdeführer hat seine Ehefrau am 19. Juni 2005 im Ausland geheiratet, hingegen ist er erst am 24. September 2005 in die Schweiz eingereist. Das Bundesgericht hat in seiner Rechtsprechung zu Art. 50 Abs. 1 AuG klar festgehalten, dass diese Bestimmung eine dreijährige Ehegemeinschaft in der Schweiz voraussetzt (<ref-ruling> E. 3.3, E. 3.3.5 S. 117 ff., 120).
Vorliegend bestand die Ehegemeinschaft in der Schweiz demnach vom 24. September 2005 bis zum 11. September 2008. Die notwendigen drei Jahre im Sinne von Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG sind damit knapp nicht erreicht. Wie das Bundesgericht bereits mehrfach bemerkt hat, gilt die Dreijahresgrenze absolut (Urteil 2C_195/2010 vom 23. Juni 2010 E. 5.1 mit Hinweisen), zumal es sich bei der massgeblichen Bestimmung ohnehin um eine Ausnahmeregelung handelt und daher eine extensive Auslegung nicht angezeigt ist. Dem Beschwerdeführer steht gestützt auf Art. 50 Abs. 1 lit. a AuG kein Anspruch auf Verlängerung der Aufenthaltsbewilligung zu. Ob er erfolgreich integriert ist, spielt insoweit keine Rolle mehr (vgl. <ref-ruling> E. 3.4 S. 120).
3. Der Beschwerdeführer beanstandet, dass ihm im vorinstanzlichen Beschwerdeverfahren die unentgeltliche Prozessführung und Verbeiständung versagt wurden. Die Vorinstanz erwog, die Bedürftigkeit des Beschwerdeführers sei nicht erwiesen, namentlich enthalte die Aufstellung des Bedarfs Positionen, die nicht zum betreibungsrechtlichen Existenzminimum gehörten, so unter anderem die Raten bezüglich eines nicht spezifizierten Darlehens oder die höhere Miete einer zukünftigen Wohnung. Der Beschwerdeführer setzt sich mit den Vorbringen der Vorinstanz nicht auseinander (Art. 42 Abs. 2 sowie Art. 106 Abs. 2 BGG) und begnügt sich mit pauschalen Ausführungen, weshalb insoweit mangels rechtsgenüglicher Begründung auf die Eingabe nicht eingetreten werden kann.
4. 4.1 Die Beschwerde erweist sich somit als unbegründet und ist abzuweisen, soweit darauf eingetreten werden kann.
4.2 Der Beschwerdeführer ersucht auch für das Verfahren vor dem Bundesgericht um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege und Verbeiständung. Angesichts der zutreffenden Ausführungen und Hinweise auf die bundesgerichtliche Rechtsprechung im angefochtenen Entscheid hatte die Eingabe des Beschwerdeführers allerdings von vornherein keine Aussichten auf Erfolg, weshalb dem Gesuch des Beschwerdeführers bereits deshalb nicht entsprochen werden kann. Ob er bedürftig ist, kann unter diesen Umständen dahingestellt bleiben. Entsprechend dem Ausgang sind die Kosten des bundesgerichtlichen Verfahrens dem Beschwerdeführer aufzuerlegen (<ref-law>). Bei der Festsetzung der Gerichtsgebühr wird seiner finanziellen Lage Rechnung getragen (<ref-law>).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Das Gesuch um unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung wird abgewiesen.
3. Die Gerichtskosten von Fr. 600.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
4. Dieses Urteil wird dem Beschwerdeführer, der Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich, dem Regierungsrat des Kantons Zürich, dem Verwaltungsgericht des Kantons Zürich, 4. Kammer, sowie dem Bundesamt für Migration schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 4. Februar 2011
Im Namen der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Zünd Dubs