O Visual Studio 2008 permitiu fazer referência a um assemblyA de uma AssembléiaB quando A estava direcionado ao .NET 3.5 e B estava direcionado ao .NET 2.0.

O Visual Studio 2010 não permite mais isso. A edição completa está descrita emMSDN:

Você pode criar aplicativos que façam referência a projetos ou assemblies que visam diferentes versões do .NET Framework. Por exemplo, se você criar um aplicativo voltado para o .NET Framework 4 Client Profile, esse projeto poderá fazer referência a um assembly voltado para o .NET Framework versão 2.0. No entanto, se você criar um projeto que visa uma versão anterior do .NET Framework,você não pode definir uma referência nesse projeto para um projeto ou assembly que tenha como alvo o .NET Framework 4 Client Profile ou o .NET Framework 4. Para eliminar o erro, verifique se o perfil direcionado ao seu aplicativo é compatível com a faixa de perfil, definida pelos projetos ou montagens referenciados pelo seu aplicativo.

Existe alguma maneira de eu conseguir que o VS2010 se comporte como o VS2008 a esse respeito (ou seja, permitindo referências a assembléias visando versões mais altas da estrutura)?

Conheço o raciocínio por trás do comportamento do VS 2010 e as considerações de implantação das quais preciso estar ciente, sem necessidade de repetir isso.

O erro exato é:

aviso MSB3268: A referência principal "xxx.dll" não pôde ser resolvida porque possui uma dependência indireta no assembly da estrutura "System.Core, Versão = 3.5.0.0, Culture = neutral, PublicKeyToken = b77a5c561934e089", que não pôde ser resolvida no a estrutura atualmente segmentada. ".NETFramework, versão = v2.0". Para resolver esse problema, remova a referência "xxx.dll" ou redirecione seu aplicativo para uma versão de estrutura que contenha "System.Core, Versão = 3.5.0.0, Culture = neutral, PublicKeyToken = b77a5c561934e089".