Depois de muitos becos sem saída, eu encontrei a causa raiz do problema: acontece que a regravação de URL do MVC tem dependências em outros módulos do IIS. Eu habilitei a compressão de conteúdo estático e, de repente, todos os meus sites MVC começaram a funcionar (no decorrer da pesquisa, criei vários sites MVC2 e MVC3 e todos tiveram o mesmo problema).
Encontrei a resposta no artigo desta base de conhecimento .