Faits: A. A.a R._, né en 1961, a travaillé en qualité de maçon jusqu'au 4 juin 2002. A partir de cette date, il a été mis en arrêt total de travail en raison de douleurs lombaires. Le 18 mars 2003, il a déposé une demande de prestations auprès de l'Office de l'assurance-invalidité du canton de Genève (ci-après : l'office AI) en vue d'une orientation professionnelle et d'un reclassement dans une nouvelle profession. L'instruction médicale a établi que R._ souffrait d'une discopathie inflammatoire prononcée L3-L4 avec une importante hernie intra-spongieuse associée à d'importants phénomènes inflammatoires L3 (rapports des docteurs N._ et M._, spécialistes FMH en radiologie, du 10 juillet 2002, du docteur D._, médecin adjoint à l'Hôpital X._, des 19 décembre 2002 et 31 janvier 2003, du docteur A._, spécialiste FMH en neurochirurgie, du 1er avril 2003, et de la doctoresse B._, spécialiste FMH en médecine interne et médecin traitant de l'assuré, du 5 mai 2003). L'assuré a bénéficié d'un stage d'observation professionnelle (COPAI) du 15 décembre 2003 au 18 janvier 2004 qui a mis en évidence une capacité résiduelle de travail de 60 %, soit un rendement de 60 % sur un plein temps dans le circuit économique ordinaire. Compte tenu des limitations fonctionnelles admises (emploi pratique et léger avec possibilité d'alterner les positions), l'assuré pouvait effectuer des travaux légers à l'établi, être employé dans le conditionnement léger ou comme aide-monteur dans un poste sans port de charges (rapport du 28 janvier 2004). Sur la base de ces éléments, l'office AI a octroyé à l'assuré une demi-rente à partir du 1er juin 2003 (décision du 3 juin 2004). L'opposition subséquente de l'assuré, tendant à l'octroi d'une rente entière, a été rejetée par l'administration (décision sur opposition du 22 septembre 2004). Par jugement du 23 mars 2006, le Tribunal cantonal des assurances sociales de Genève a rejeté le recours de R._ contre cette nouvelle décision. Ce jugement n'a pas été attaqué. A.b Le 4 mai 2006, l'assuré a fait état d'une aggravation de son état de santé, confirmée par la doctoresse B._ le 21 mai 2006, laquelle signalait l'apparition d'une oligo-arthrite des deux épaules d'origine indéterminée provoquant une atteinte fonctionnelle bilatérale fluctuante. Le 28 août 2006, l'office AI a considéré que le degré d'invalidité de l'assuré n'avait pas changé au point d'influencer son droit à une demi-rente. Par téléfax du même jour, la doctoresse B._ a transmis à l'office AI divers rapports radiologiques, dont une échographie de la cheville droite du 18 avril 2005 mettant en évidence de petits épanchements articulaires tibio-astragaliens et métatarso-phalangiens ainsi qu'un foyer d'enthésopathie du jambier postérieur sans déchirure associée, ainsi qu'une tomodensitométrie des articulations acromio-claviculaires du 23 juin 2003, objectivant un remaniement des deux articulations acromio-claviculaires à caractère érosif évoquant plutôt une pathologie inflammatoire qu'un remaniement dégénératif. Invité à remplir un questionnaire pour la révision de la rente, l'assuré a indiqué que son état de santé était resté le même et qu'il se trouvait à l'assurance-chômage à 50 % (questionnaire pour la révision de la rente du 15 octobre 2008). Dans un rapport du 17 novembre 2008 requis par l'office AI, la doctoresse B._ a constaté que l'état de santé de l'assuré ne s'était pas amélioré pour envisager une reprise du travail, même à 50 %. Par décision du 12 février 2009, l'office AI a confirmé le droit à une demi-rente d'invalidité. Parallèlement, l'office cantonal de l'emploi du canton de Genève (ci-après: l'OCE) a prononcé l'inaptitude au placement de R._ par décision du 13 février 2009, confirmée sur opposition le 17 septembre 2009. B. R._ a recouru devant le Tribunal cantonal des assurances sociales en concluant à l'annulation de la décision de l'office AI du 12 février 2009 et à l'octroi d'une rente entière d'invalidité. L'assuré a également interjeté un recours contre la décision de l'OCE du 17 septembre 2009. Il a notamment demandé la jonction des causes en matière d'assurance-invalidité et d'assurance-chômage. Statuant le 7 janvier 2010 dans la cause d'assurance-invalidité et le 6 mai 2010 dans la cause d'assurance-chômage, le tribunal cantonal a débouté le recourant dans les deux cas. C. L'assuré interjette un recours en matière de droit public contre le jugement cantonal du 7 janvier 2010, dont il demande l'annulation, en concluant à l'octroi d'une rente entière d'invalidité, subsidiairement au renvoi de l'affaire à l'autorité cantonale pour nouveau jugement. Il requiert par ailleurs le bénéfice de l'assistance judiciaire. R._ interjette également un recours en matière de droit public contre l'arrêt cantonal du 6 mai 2010 (8C_490/2010), en demandant préalablement la jonction des causes en matière d'assurance-invalidité et d'assurance-chômage ainsi que la suspension de la cause d'assurance-chômage jusqu'à droit jugé en matière d'assurance-invalidité. L'intimé conclut au rejet du recours, tandis que l'Office fédéral des assurances sociales a renoncé à se déterminer. 