Sachverhalt: A. X._ wird vorgeworfen, sich zwischen ca. 1997 bis 2002 an seiner Stieftochter B.Y._ (geb. am 11. Januar 1988), zwischen ca. 2001 und 2003 an seiner Stieftochter A.Y._ (geb. am 14. Juni 1990) und zwischen ca. 2001 und 2003 an seiner Stieftochter C.Y._ (geb. am 8. April 1993) sexuell vergangen zu haben. Ferner soll er von Webseiten im Internet pornographische Bilder mit Kindern, menschlichen Ausscheidungen, sadomasochistischen Praktiken und Tieren heruntergeladen und gespeichert haben. B. Das Bezirksgericht Bülach verurteilte X._ am 26. April 2006 wegen mehrfacher sexueller Nötigung, mehrfacher sexueller Handlungen mit Kindern sowie mehrfacher Pornographie zu 4 1⁄2 Jahren Zuchthaus und ordnete eine vollzugsbegleitende ambulante Massnahme an. Ausserdem wurde er zur Bezahlung von Genugtuungen an die Opfer verpflichtet. Auf seine Berufung und die Anschlussberufung der Staatsanwaltschaft hin bestätigte das Obergericht des Kantons Zürich am 21. September 2007 den Schuldspruch der ersten Instanz und bestrafte X._ mit einer Freiheitsstrafe von 5 1⁄2 Jahren. Die dagegen erhobene Beschwerde in Strafsachen von X._ hiess das Bundesgericht am 28. August 2008 wegen Verletzung des Anklageprinzips in Bezug auf den ihm zur Last gelegten Straftatbestand der sexuellen Nötigung gut und wies die Angelegenheit zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurück. C. In seiner Neubeurteilung vom 5. Juni 2009 trat das Obergericht des Kantons Zürich auf die Anklage der mehrfachen sexuellen Nötigung nicht ein. Es verurteilte X._ wegen mehrfacher sexueller Handlungen mit Kindern und mehrfacher Pornographie zu einer Freiheitsstrafe von vier Jahren. Den Vollzug der Strafe schob es nicht zugunsten der angeordneten ambulanten Massnahme auf. D. X._ wendet sich erneut mit Beschwerde an das Bundesgericht. Er beantragt, den angefochtenen Entscheid aufzuheben und die Sache an die Vorinstanz zurückzuweisen. Überdies ersucht er um unentgeltliche Rechtspflege. 