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. Art. 19 Abs. 2 lit. a BetmG 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. 