Sachverhalt: A. Der 1954 geborene V._ war seit 1989 als Hilfsgärtner tätig. Am 18. November 2004 rutschte er beim Verlegen von Betonplatten aus. Dabei zerrte er sich am Rücken und verletzte sich am linken Ringfinger. Unter Angabe chronischer Rückenschmerzen im Bereich der Lenden- und der Halswirbelsäule bei Diskushernien meldete er sich am 19. August 2005 bei der Invalidenversicherung zum Leistungsbezug an. Die IV-Stelle des Kantons Luzern klärte den medizinischen und erwerblichen Sachverhalt ab. Mit Verfügung vom 28. Februar 2008 verweigerte sie V._ die Ausrichtung einer Rente, weil er in einer behinderungsangepassten Tätigkeit voll arbeitsfähig sei und der Invaliditätsgrad von 14 % keinen Leistungsanspruch begründe. B. Das Verwaltungsgericht des Kantons Luzern wies die dagegen erhobene Beschwerde mit Entscheid vom 5. August 2009 ab. C. V._ führt Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten; er beantragt Aufhebung des vorinstanzlichen Entscheides sowie Zusprechung mindestens einer Dreiviertelsrente, eventualiter Rückweisung der Sache zu weiteren Abklärungen; zudem ersucht er um unentgeltliche Rechtspflege. Vorinstanz und IV-Stelle beantragen Abweisung der Beschwerde; das Bundesamt für Sozialversicherungen verzichtet auf Vernehmlassung. 