Sachverhalt: A. Die Staatsanwaltschaft Winterthur Unterland legt X._ in der Anklageschrift vom 2. Juni 2010 zur Last, er habe Y._ am 8. November 2009 um ca. 2.30 Uhr im Parkhaus des Bahnhofs Winterthur vergewaltigt. Zuvor habe er ihr zweimal Kokain zum Konsum angeboten. Mitte März 2010 habe er Y._ zum Rückzug der Anzeige bewegen wollen, indem er ihr in der Bar A._ in Winterthur einen bis zwei Finger Kokain offeriert habe. Über Dritte habe er ihr ausgerichtet, "es sei nicht mehr gut", falls sie nicht in diesen Vorschlag einwillige. Schliesslich habe er gegen das von den Strafverfolgungsbehörden verfügte Kontaktverbot zu Y._ verstossen. B. Das Bezirksgericht Winterthur verurteilte X._ am 11. August 2010 wegen Vergewaltigung, versuchter Nötigung, mehrfachen Vergehens gegen das Betäubungsmittelgesetz und mehrfachen Ungehorsams gegen amtliche Verfügungen zu einer unbedingten Freiheitsstrafe von 30 Monaten und zu einer Busse von Fr. 500.--. Es widerrief den mit Urteil des Obergerichts des Kantons Zürich vom 2. April 2007 gewährten teilbedingten Strafvollzug für die Freiheitsstrafe von 28 Monaten und erklärte den vormals bedingten Strafteil von 16 Monaten als vollziehbar. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 15. März 2011 vom Vorwurf der versuchten Nötigung frei. Im Übrigen bestätigte es die erstinstanzlichen Schuldsprüche, soweit sie nicht schon in Rechtskraft erwachsen waren, die Strafzumessung und den Widerruf der Vorstrafe. C. X._ erhebt Beschwerde in Strafsachen. Er beantragt, das angefochtene Urteil sei betreffend den Vorwurf der Vergewaltigung aufzuheben, und die Sache sei zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen, unter Kosten- und Entschädigungsfolgen. Es sei ihm die unentgeltliche Rechtspflege und Verbeiständung zu gewähren. 