No. A pesar de que una DLL se puede asignar por completo a la memoria física mientras se ejecuta la aplicación, definitivamente no hay garantía de eso. Porciones de archivos DLL (e incluso ejecutables) pueden asignarse a la RAM mientras otros bits permanecen en el disco y pueden leerse más adelante.
Cambiar el archivo en el disco mientras Windows tiene partes de él mapeadas en RAM no terminaría bien. Windows lo bloquea por una buena razón.
Editar: Necesito aclarar algo, ya que algunas personas parecen tener la intención de culpar a Windows de lo que en realidad es un problema de diseño de la aplicación , no un problema de diseño del sistema operativo.
Puede actualizar las DLL que las aplicaciones usan en Windows sin finalizar el proceso, pero la aplicación debe haberse escrito de tal manera que se pueda indicar que descargue el ensamblado, espere a que finalice la actualización y luego vuelva a cargar la DLL. Esto no tiene nada que ver con el sistema operativo que está ejecutando. Es un problema de diseño de aplicaciones.
Editar: también vea la respuesta de Stephane para una posible solución que podría funcionar, dependiendo de cómo responda su aplicación específica a su cambio de DLL. Creo que merece un voto a favor.
%LocalAppData%\Google\Chrome\Application
y debería ver carpetas como las26.0.1410.64
que almacenan archivos DLL de diferentes versiones)