Faits: A. G._ était assuré contre les accidents par la Caisse nationale suisse d'assurance en cas d'accidents (CNA). Le 21 février 2004, à 4h00 du matin, il s'est présenté à l'entrée du Club X._, à Y._, dont l'accès lui a été refusé par le portier. Après avoir insisté, il a finalement été autorisé à pénétrer dans le hall d'entrée. Alors qu'il retirait son manteau, le portier lui a décoché un violent coup de poing au visage, qui a eu pour effet de lui faire perdre connaissance. Lorsqu'il est revenu à lui, il se trouvait assis contre le mur extérieur de l'établissement. Avec l'aide d'un chauffeur de taxi, il s'est rendu à l'hôpital pour y recevoir des soins. Les médecins ont posé les diagnostics de fracture du maxillaire inférieur, plaie ouverte de la lèvre et de la cavité buccale, fracture fermée isolée de la malléole externe de la cheville, lésion traumatique superficielle d'autres parties de la tête et lésions traumatiques du poumon, sans plaie ouverte de la cavité thoracique. G._ est resté hospitalisé du 21 au 26 février 2004. Le traitement pratiqué en urgence le 21 février a consisté en une réduction ouverte de la fracture de la mandibule avec ostéosynthèse, insertion d'un implant synthétique dans un os facial et suture de plaie dans la cavité buccale (sauf lèvre, langue, gencive). Au niveau de la cheville droite, un traitement conservateur par immobilisation plâtrée a été mis en place. La CNA a pris en charge les suites de cet événement. Par la suite, le docteur T._, notamment, a assuré le suivi médical de l'intéressé. Il a attesté une incapacité de travail totale jusqu'au 3 mai 2004, puis une pleine capacité de travail (rapport du 21 avril 2004), et a prescrit neuf séances de physiothérapie en vue d'une mobilisation de la cheville droite. Le 11 mai 2005, le docteur O._ a pratiqué une ablation du matériel d'ostéosynthèse qui avait été mis en place pour le traitement de la fracture mandibulaire en février 2004. Il a attesté une incapacité de travail totale du 11 au 21 mai 2005. Le 11 décembre 2006, G._ a consulté à nouveau le docteur O._. Il a fait état d'une diminution de la sensibilité au niveau de la lèvre inférieure gauche et d'une sensation de gêne au niveau de l'angle mandibulaire gauche lors de l'ouverture buccale ou de mouvements mandibulaires. Le docteur O._ a constaté une hyposensibilité du tiers externe de la lèvre inférieure gauche; les cicatrices endo-buccales étaient calmes, avec toutefois une fibrose au niveau du trait d'incision. L'occlusion et la fonction mandibulaire étaient dans la norme. Le 1er mars 2007, l'assuré a présenté à la CNA une demande d'indemnité pour atteinte à l'intégrité. Le docteur A._, médecin d'arrondissement de la CNA, l'a examiné le 17 avril 2007 et a proposé de reconnaître un taux d'atteinte à l'intégrité de 2,5 % en raison de l'hyposensibilité partielle persistante de la lèvre inférieure gauche. L'examen de la cheville droite n'avait pas établi de séquelle fonctionnelle à ce niveau. Par décision du 11 juin 2007, la CNA a refusé l'octroi d'une indemnité pour atteinte à l'intégrité. Elle a précisé que l'atteinte subie par l'assuré ne présentait pas un degré de gravité suffisant pour ouvrir droit à une telle prestation. G._ s'est opposé à cette décision en alléguant souffrir de séquelles psychologiques de l'agression, pour lesquelles il avait consulté R._, psychologue. Il a également produit le compte-rendu d'une imagerie par résonance magnétique pratiquée le 28 juin 2007 par le docteur N._. Cet examen avait mis en évidence une zone d'oedème médullaire au niveau de la malléole externe, avec un petit réseau kystique sous-chondral au niveau de sa pointe, ainsi qu'une discrète arthrose sous-astragalienne et du Lisfranc latéral. A la demande de la CNA, R._ a précisé, dans un rapport du 22 novembre 2007, qu'il avait eu cinq entretiens avec l'assuré entre les 4 mars et 8 avril 2004. G._ présentait à l'époque plusieurs symptômes d'un état de stress post-traumatique, avec des évitements massifs (il ne sortait plus de chez lui et avait coupé tous ses liens avec son réseau social), des intrusions (cauchemars et souvenirs répétitifs des circonstances de l'agression), ainsi que de l'hyperéveil, avec notamment des troubles du sommeil. Les cinq consultations avaient permis une amélioration des troubles du sommeil et la disparition des cauchemars, mais avaient probablement été insuffisantes, en ce qui concerne le comportement d'évitement tout au moins. Les 8 et 11 novembre 2007, l'assuré avait consulté à nouveau. Le comportement d'évitement était toujours aussi marqué; habité par la honte de s'être fait agressé, l'assuré n'avait pas renoué ses contacts sociaux. Il souffrait encore de réminiscences actives, bien que peu intenses, lorsqu'il croisait quelqu'un lui faisant penser à son agresseur. Pour ces motifs, R._ proposait le financement par la CNA de cinq nouvelles séances de psychothérapie. Le 4 mars 2008, le docteur A._ a procédé à une nouvelle appréciation de l'atteinte à l'intégrité physique de l'assuré, au regard notamment de l'IRM pratiquée le 28 juin 2007. Il a maintenu son point de vue relatif à l'absence d'atteinte à l'intégrité au niveau de la cheville. Le 26 septembre suivant, G._ a produit un rapport établi par le docteur E._, psychiatre et psychothérapeute, attestant un syndrome de stress post-traumatique et un état dépressif en relation de causalité avec l'agression du 21 février 2004 (rapport du 2 juin 2008). Par décision sur opposition du 1er octobre 2008, la CNA a maintenu son refus d'allouer une indemnité pour atteinte à l'intégrité. Elle a nié l'existence d'une atteinte notable à l'intégrité physique et a considéré que l'affection psychique dont souffrait l'assuré n'était pas en relation de causalité adéquate avec l'agression. B. G._ a recouru contre cette décision sur opposition devant le Tribunal des assurances sociales du canton de Genève, qui a rejeté le recours par jugement du 3 février 2009. C. L'assuré interjette un recours en matière de droit public contre ce jugement. Il en demande l'annulation et conclut, à titre principal, à l'octroi d'une indemnité pour une atteinte à l'intégrité "d'au moins 10 %", sous suite de dépens. Subsidiairement, il demande le renvoi de la cause à l'intimée pour complément d'instruction, sous forme d'expertise pluridisciplinaire, et nouvelle décision. Il demande également l'octroi de l'assistance judiciaire pour l'instance fédérale. L'intimée conclut au rejet du recours, alors que l'Office fédéral de la santé publique a renoncé à se déterminer. 