Sachverhalt: A. Der ägyptische Staatsangehörige X._ (geb. 9. September 1953) reiste am 16. Dezember 2005 in die Schweiz ein und heiratete am 10. Februar 2006 die Schweizer Bürgerin Y._ (geb. 1967), die er in Ägypten kennen gelernt hatte. Gestützt auf die Heirat wurde X._ eine Aufenthaltsbewilligung (letztmals verlängert bis zum 9. Februar 2007) für den Kanton Bern erteilt. Am 1. September 2006 gaben die Eheleute die eheliche Wohngemeinschaft auf. Am 15. Dezember 2006 zog X._ ohne die erforderliche Zustimmung in den Kanton Zürich, wo er eine Anstellung gefunden hatte. Am 1. März 2007 genehmigte der Gerichtskreis A._ eine Trennungsvereinbarung und stellte fest, dass der gemeinsame Haushalt der Ehegatten X._ und Y._ seit 1. September 2006 aufgehoben sei. Die Ehegattin reichte am 9. März 2009 die Scheidungsklage ein. B. Am 6. März 2007 stellte X._ bei der Sicherheitsdirektion des Kantons Zürich (Migrationsamt) ein Gesuch um Erteilung einer Aufenthaltsbewilligung für den Kanton Zürich. Mit Verfügung vom 24. Januar 2008 wies die Sicherheitsdirektion das Gesuch ab und setzte X._ Frist zum Verlassen des zürcherischen Kantonsgebiets bis zum 31. März 2008 mit der Begründung, die Berufung auf die nur noch formell bestehende Ehe sei rechtsmissbräuchlich. Dagegen erhob X._ ohne Erfolg vorerst Rekurs an den Regierungsrat des Kantons Zürich und sodann Beschwerde an das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich. C. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten vom 16. Oktober 2009 beantragt X._, den Entscheid des Verwaltungsgerichts vom 15. September 2009 aufzuheben und das Migrationsamt anzuweisen, ihm die Aufenthaltsbewilligung zu verlängern. Zudem ersucht er um Gewährung der unentgeltlichen Rechtspflege und stellt das Begehren, der Beschwerde hinsichtlich der mit dem angefochtenen Entscheid verbundenen Ausreiseverpflichtung die aufschiebende Wirkung zu erteilen. D. Das Verwaltungsgericht des Kantons Zürich verzichtet auf Vernehmlassung. Die Staatskanzlei des Kantons Zürich - im Auftrag des Regierungsrates - sowie das Bundesamt für Migration schliessen auf Abweisung der Beschwerde. E. Mit Verfügung vom 22. Oktober 2009 hat der Präsident der II. öffentlich-rechtlichen Abteilung der Beschwerde aufschiebende Wirkung zuerkannt. 