魔界の仮面弁士さん、どうもありがとうございました、
なぜ上手くいくのかしばらくわからなかったのですが、要素のインデックス付きのselectがあるのですね。
http://msdn.microsoft.com/ja-jp/library/bb534869.aspx
ちなみに、これはクエリ式で書くことはできないのでしょうか？

今回考えているのは、要素数が同じであるべきなので、例外を投げるので良いと考えていました。
AddElement3を参考に、以下のようにして見ようと思います。

Function AddElement(ByVal ary1 As Double(), ByVal ary2 As Double()) As Double()

    If ary1.Length <> ary2.Length Then Throw New ArgumentOutOfRangeException

    Return (From i In Enumerable.Range(0, ary1.Length) Select ary1(i) + ary2(i)).ToArray

End Function