Sachverhalt: A. Das Obergericht des Kantons Zürich sprach X._ am 7. September 2009 des bandenmässigen Raubes, der mehrfachen, teils versuchten räuberischen Erpressung, der mehrfachen Freiheitsberaubung, der mehrfachen Veruntreuung, der groben Verkehrsregelverletzung und des Missbrauchs von Ausweisen und Schildern schuldig. Es verurteilte ihn zu acht Jahren Freiheitsstrafe, teilweise als Zusatzstrafe zur Strafverfügung des Amtsstatthalteramts Luzern vom 8. Oktober 2008 sowie zum Urteil des Kriminalgerichts des Kantons Luzern vom 14. Januar 2008. B. X._ führt Beschwerde in Strafsachen und beantragt, das Urteil des Obergerichts vom 7. September 2009 sei aufzuheben und die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen, unter Kosten- und Entschädigungsfolgen zu seinen Gunsten. Es seien ihm die unentgeltliche Rechtspflege zu gewähren und der unterzeichnende Rechtsanwalt als unentgeltlicher Rechtsvertreter zu bestellen. C. Die Vorinstanz und die Oberstaatsanwaltschaft des Kantons Zürich verzichten auf Vernehmlassungen. D. Die Strafrechtliche Abteilung des Bundesgerichts hat die Angelegenheit am 24. September 2010 an einer öffentlichen Sitzung beraten. 