В общем случае - да, восстановить нельзя.
На самом деле ситуация куда хуже - при перезаписи данных по определенным логическим адресам данные могут быть записаны по другим физическим адресам (такое происходит в некоторых флешках с алгоритмом wear-levelling). Т.е. на уровне ФС файл будет перезаписан, но прочитав память флешки непосредственно (на уровне ниже ФС) можно восстановить какую-то часть информации. С другой стороны, операционные системы могут сохранять какую-либо информацию о перезаписанных файлах: в Windows XP все файлы на системном диске с расширением exe попадают в точки восстановления (http://www.mandiant.com/documents/MRPA_WhitePaper.pdf), к изображениям создаются эскизы (http://itdefence.ru/content/articles/Thumbnails.Suhanov/), при печати документов создаются специальные файлы для принтера, которые также можно восстановить даже если исходный файл секурно удален.
Разумеется, если ты исходный файл перезапишешь меньшим количеством байт чем этот файл содержал, то ничего не выйдет.