Sendmail がメールを受け付けて配送しようとする時、宛先のメールアドレスが不正で、エラーメールを返そうにも送信主のメールアドレスも不正でエラー通知を返せなかった場合、そのメールはどこに行くのでしょうか?

そういうメールをダブルバウンスといい、どこに到達するかはサーバーの設定次第です。

上記のサイトは qmail について説明していますが、概念については Sendmail でも同様で、

実際にはダブルバウンスの起こったサーバーの root か postmaster 宛に送信されていることが多いと思います。

そもそもダブルバウンスって何？

回答のリンクがうまく張れていなかったようなので再掲。

"Automatic E-Mail Responses"つまり「e-mailでの自動的な返答」に関するRFCです。(RFCについてご存じなければ"事実上のインターネットのルール"ぐらいに思ってください)

http://tools.ietf.org/html/rfc3834#page-5

このページの最後の部分に、

Responders MUST NOT generate any response for which the destination of that response would be a null address (e.g., an address for which SMTP MAIL FROM or Return-Path is <>)

とあります。

レスポンスメールは、"レスポンス先"を"null address"(つまり"空")にするなどして、それに対してさらにレスポンスが発生しない様にしなければならない。(例として、Return-Path ヘッダに <> を指定する)

という感じでしょうか。

実際、"ユーザがいない"というエラーで返ってきたメールを見てみたら、確かに、Return-Path: <> になってました。

そんな感じで、自動での返信メールが受け取った側でさらに、ユーザがいないとか、受信箱がいっぱいだとか、そんな理由でエラーになった場合はそれに対する返答メールは発信されないようになっています。

質問文の「宛先のメールアドレスが不正」が、相手先のサーバが実在しない、とかそういう理由ならば、そもそもレスポンスメールを出せませんので、そこで終わりです。

ええええ