Quando usamos as vírgulas, temos de ter em mente que umas são obrigatórias, outras são proibidas, e algumas, facultativas… Estas últimas dependem da intenção de quem as usa, ou, neste caso, da interpretação de quem as coloca. Feita esta ressalva, eu pontuaria as frases da seguinte maneira:

1 — «Segurava um pincel comprido na mão direita, uma paleta de tinta na esquerda, e sorria.»

Coloquei a vírgula antes da conjunção e, apesar de normalmente não se usar nessa situação, porque a frase apresenta duas ideias distintas (correspondendo a cada uma delas uma oração):

– A primeira oração é «Segurava um pincel comprido na mão direita, uma paleta de tinta na esquerda»;

– A segunda oração é «e sorria».

A vírgula ajuda a perceber que aquele elemento da frase («uma paleta de tinta na esquerda») faz parte da primeira oração, faz parte, aliás, do objecto directo («um pincel comprido na mão direita, uma paleta de tinta na esquerda»). A vírgula ajuda a clarificar a estrutura da frase.

2 — «Porque ele não veio e ela não esperou, os dois brigaram.»

Poderia colocar a vírgula antes da conjunção e, dado as duas orações terem sujeitos diferentes, mas não obrigatoriamente.  

A frase pontuada desta forma tem uma única vírgula, que separa a oração subordinante («os dois brigaram») das outras duas orações, uma subordinada causal «Porque ele não veio» e uma oração copulativa coordenada à causal, «e ela não esperou».

Há, portanto, uma separação entre a oração subordinante e as duas orações que expressam a causa.

3 — «Escrevi para explicar o engano e pedir desculpas, mesmo assim.»

Deverá haver vírgula antes da locução adverbial mesmo assim. Trata-se de uma expressão de valor concessivo, equivalente a apesar de tudo, que modifica todo o sentido da frase. Acrescenta ao resto da frase um determinado valor (concessivo).

Se escrevêssemos apenas «Escrevi para explicar o engano e pedir desculpas», a frase, sintacticamente, estaria correcta. Da mesma forma, em vez do modificador mesmo assim, poderia existir qualquer outro, de valor diferente: conforme combinado, num impulso… A vírgula tem então a função de destacar, ou de isolar, esse elemento da frase, em relação à qual mantém uma certa autonomia.

4 — «Fiquei feliz, porque senti que era como se uma pessoa interessante houvesse se identificado comigo, e eu, com ela.»

Eu acrescentaria uma vírgula no final da oração «como se uma pessoa interessante houvesse se identificado comigo».

Na realidade, «e eu, com ela» é uma outra oração, em que o predicado está omisso: «e eu me houvesse identificado com ela». Então, a primeira vírgula, embora não seja obrigatória, faz sentido, porque temos duas orações ligadas pela conjunção coordenativa e, mas com sujeitos diferentes («como se uma pessoa interessante houvesse se identificado comigo,/e eu [me houvesse identificado] com ela»).

A segunda vírgula («e eu, com ela») é obrigatória, porque serve para indicar que o predicado está omisso.