Dass ein AVR schadensfrei davongekommen ist nur weil er noch läuft muss nichts heisen.

Ein AVR verträgt gut was (mein Mega8 kann ein Lied davon singen ) aber auch er kann kaputtgehen und das nicht unbedingt total. Einzelne Pins kann man schon kaputt kriegen ohne gleich den ganzen AVR zu zerschießen.
Wenn beim ADC die Eingangsspannung größer der Referenzspannung ist wars das mit dem jeweiligen Pin bzw. sogar mit dem ganzen ADC. Die I2C-Pins sind auch recht sensibel, hab auch schon 2 kaputte Pins davon gehabt.

Aber dein AVR scheint das ohne Schaden weggesteckt zu haben.

EDIT: Wieso die kaputtgehen liegt eben hauptsächlich in der Potentialdifferenz. Das Ding ist intern ja sehr komplex verschaltet, liegt irgendwo zum falschen Zeitpunkt das falsche Potential an kann das eben einzelne Teile des ICs zerstören. Ähnlich wie bei einem Transistor, den du falsch anschließt.
Die genaue Ursache wird dir wohl nur einer der Atmel-Entwickler sagen können