Não. Embora uma DLL possa ser totalmente mapeada na memória física enquanto o aplicativo é executado, definitivamente não há garantia disso. Partes de DLLs (e até executáveis) podem ser mapeadas para a RAM enquanto outros bits permanecem no disco e podem ser lidas posteriormente.
Alterar o arquivo no disco enquanto o Windows possui alguns bits mapeados na RAM não terminaria bem. O Windows bloqueia por um bom motivo.
Editar: preciso esclarecer algo, pois algumas pessoas parecem ter a intenção de culpar o Windows pelo que é realmente um problema de design de aplicativo , não um problema de design do sistema operacional.
Você pode atualizar as DLLs que os aplicativos usam no Windows sem encerrar o processo, mas o aplicativo deve ter sido gravado de forma que possa ser sinalizado para descarregar o assembly, aguardar o término da atualização e recarregar a DLL. Isso não tem nada a ver com o sistema operacional em execução. É um problema de design de aplicativo.
Editar: consulte também a resposta de Stephane para uma possível solução que possa funcionar, dependendo de como o aplicativo específico responde à alteração da DLL. Eu acho que ele merece um voto positivo.
%LocalAppData%\Google\Chrome\Application
e você deve ver pastas como26.0.1410.64
que armazena DLLs de versões diferentes)