Lo que pides es embedir un ensamblado .NET dentro de otro. La clase Assembly te permite cargar ensamblados .NET en la memoria del programa y ejecutarlos en tiempo de ejecucción, sin tener que ejecutarlo en un proceso separado. Puedes escoger como vas a cargar el ensamblado, si está fuera del proyecto lo cargas como un archivo indicando la ruta. Lo normal sería añadirlo a los recursos del programa y cargarlo dinámicamente desde ahí mediante un Array de Bytes. El resto del trabajo es pan comido, solo tienes que llamar a su método de entrada, es decir, a Main().

Te dejo un fragmento de code, si lo quieres probar inicia un proyecto en modo consola y lo copias tal cual pero cambiando el path del ensamblado que quieres cargar

Imports System.Reflection
Module Module1
 
    Sub Main()
'Cargamos el ensamblado desde un archivo
'En tu caso podrias hacerlo desde los recursos del proyecto
        Dim Ensamblado As Assembly = Assembly.LoadFile("C:\POC.exe")
'Apuntamos hacia el método de entrada, método principal que será llamado al ejecutarse el ensamblado
        Dim EntryPoint As MethodInfo = Ensamblado.EntryPoint
'Lo invocamos pasandole un Array de Strings vacío ya que éste indica los Argumentos (args) y no le quiero pasar ninguno
        EntryPoint.Invoke(Nothing, New Object() {New String() {}})
'Se ejecuta la PoC :)
    End Sub
 
End Module

Saludos!

También podrías meterlos como una cadena y correrlos on the fly con algun "RunPE" que acepte parámetros. Bueno creo que eso se podria. 

Advertencia - mientras estabas escribiendo, fueron publicadas 2 respuestas. Probablemente desees revisar tu mensaje.

Ahí me has pillado pues no he tenido experiencia en lo que se refiere a cargar código no administrado desde .NET . Se me ocurre que puedes embedir el ejecutable dentro de la lista de recursos y desde ahí crear un archivo temporal en el que escribes los Bytes del ejecutable embedido en recursos, ya que My.Resources."recurso" nos devolvería un Array de Bytes.

Luego cuando cierras la App podrías llamar a una rutina que limpiara esos archivos temporales de la ruta donde los creaste, o bien, podrías eliminarlos cuando el proceso temporal finalice. A ver si alguien nos da algun consejo más práctico de como implementar esto.

Lo que hago a continuación es cargar el TCPOptimicer desde un Array de Bytes de la lista de recursos. Creo un archivo temporal de éste, lo inicializo mediante la clase Process() y asocio el evento Exited de Process() a un método que será llamado cuando el archivo sea cerrado. Dentro de este método se ejecutará la instrucción de borrado del archivo temporal, de esta manera te libras del Process.WaitForExit(), recuerda, queremos rendimiento en nuestra aplicación.

Imports System.IO
Module Module1
   Dim ExePath As String = "C:\TempTCPOptimicer.exe"
   Sub Main()
         If Not File.Exists(ExePath) Then
'Obtenemos los Bytes del archivo a través de la lista de recursos
         Dim Buffer As Byte() = My.Resources.TCPOptimizer
'Creamos un nuevo ejecutable en el que introduciremos los Bytes del archivo
         Dim Fs As New FileStream(ExePath, FileMode.Create, FileAccess.Write)
         Fs.Write(Buffer, 0, Buffer.Length)
         Fs.Close()
'Ejecutamos el proceso temporal
         Dim p As Process = Process.Start(ExePath)
'Activamos el evento Exited, que se encargará de manejar el cierre de la aplicación
         p.EnableRaisingEvents = True
'Asociamos el evento Exited al método FileExitedEvent
         AddHandler p.Exited, AddressOf FileExitedEvent
'No queremos que se cierra la instancia de la consola
         Else
         Console.WriteLine("El Archivo temporal {0} ya existe",ExePath)
         End If
     Console.Read()
     End Sub
 
     Private Sub FileExitedEvent(ByVal sender As Object, ByVal e As EventArgs)
'Si has llegado hasta aquí es que el proceso finalizó
'Procedemos a eliminar el archivo temporal del disco
         File.Delete(ExePath)
     End Sub
End Module

Saludos!

@Seba

Te refieres a la carpeta de appdata donde se genera el "user.config"?
Me gustaría hacer las cosas bien, pero creo que el nombre que se genera es aleatorio, como por ejemplo ".\roaming\Programa.exe_Url_ktb5duwkcuyoinv5ivsuakbcdmye00nf\user.config", ¿entonces como obtengo la ruta? ni siquiera sé si ese número es una GUID única, o que es.

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@Kubox

Dim Buffer As Byte() = My.Resources.Splitty_7zip
Dim Fs As New IO.FileStream(TempDir & "Splitty_7zip.exe", IO.FileMode.Create, IO.FileAccess.Write)
Fs.Write(Buffer, 0, Buffer.Length)
Fs.Close()

Te lo digo muy en serio, eres mi pu** ídolo, ¿diosss pero como lo haces para resolverlo todo!?,
PD: Algunos no tenemos la suerte de aprender programación con un profesor en la uni .

Desde luego eso de sacar los bytes va para mi colección de snippets/apuntes xD

Un saludo!

Lo de obtener la ruta de APPDATA, y que los programas (suelen) guardan sus datos ahí, ya lo sabía, pero te lo agradezco.

Lo que pasa es que todos los programas que yo compilo (con settings) generan una carpeta en Local con una GUID o algo que parece ser una GUID, como en este ejemplo:

por eso me parecía impredecible saber el nombre de esa carpeta a menos que hubiera algún método para obtener esa guid... pero por lo que dices parece que no xD.
No sé, quizas es cosa del VS2012...

EDITO: O del ILMerge o el .Net Shrink, ahora que lo pienso...

¿En la IDE se puede cambiar la ruta donde se almacena el archivo de configuración para quitarle la GUID?

Un saludo!