¿Cómo conseguir el efecto de la foto de la chica?

Por lo que entiendo de tu pregunta lo que quieres es colorear de ese modo una foto que previamente has pasado a blanco y negro. (El paso dos puedes sutituirlo por cualquier modo de selección e incluso pintar directamente en la capa (la nueva) como explico al final). La clave está en el paso 3 pero empecemos desde el principio:
1- Bien, primero, me da la sensación que los niveles de la imagen están digamos, un poco quemados, si la imagen en escala de grises de la que partes no lo está, te aconsejo que vayas a niveles (control L o vayas a Imagen/Ajustes/Niveles) y que la "fuerces un poco" cogiendo la flecha de la izquierda y llevándola un poco hacia el centro (hacer de grises intermedios negros) y la del extremo derecho hacia la izquierda para acercarla también un poco al centro y sacar más blancos. También puedes aumentar el contraste en Imagen /ajustes /brillo y contraste.
2- Una vez satisfecho con tu imagen en escala de grises la pasamos a CMYK (para salida impresa) o a RGB (si su destino es web u otro que no requiera impresión).
Ahora es el momento de darle color, para ello creamos una capa nueva (esto es muy importante), la llamaremos color (menú de la ventana capas, nueva capa) trabajaremos sobre ella a partir de ahora.
Pulsamos la tecla Q de modo que nos encontramos en un canal alfa (canal alfa que nos servirá para hacer una cómoda selección usando un pincel a 100% de opacidad y dureza) con la herramienta pincel y manteniendo pulsada la tecla Alt vamos bordeando la parte de la imagen por la que queremos empezar a dar color (también puedes hacer la selección con la pluma pero te explico este otro proceso por que es menos conocido) Por ejemplo dibujamos los bordes del pelo (siempre por dentro de la silueta), una vez hecho esto con la herramienta cubo de pintura y todavía en el canal alfa ( si aprietas la tecla Q verás lo que has pintado convertido e selección, para volver a alfa vuelve a apretar Q) rellena con el cubo de pintura negro dentro de la silueta, pulsa Q ya tienes la selección.
Recuerda que si te resulta más cómodo la puedes hacer con la pluma o como prefieras.
3- Está selección la colorearemos (dentro de la capa color) de por ejemplo azul como en la primera imagen. Y ahora nos vamos a la parte de arriba de la ventana capas y donde dice normal buscaremos el modo de fusión "color". (Esta es la parte más importante y creo que es por la que planteas la pregunta)
Repetiremos los pasos hasta seleccionar y colorear todas las zonas que queramos.
Además observo en la imagen sobre la que preguntas, que el artista ha cogido la primer foto coloreada y a invertido los colores de la capa color para hacer la segunda. (Imagen /ajuste/ invertir color, o bien pulsar "cotrol i", (en mac comando i)) de ese modo el azul se transforma en el amarillo de la segunda, el verde en el violeta...
Puedes trabajar con una sola capa en modo color, o con varias, pero cuidado con superponerlas, pueden salir cosas interesantes pero también descontrolar el resultado.
Una alternativa a hacer las selecciones es pintar directamente en una capa que fusione en modo color e ir viendo como repercuten nuestras pincelada en la capa de debajo.
Espero haberte sido de ayuda. Hay otros modos de hacerlo pero creo que este es el más sencillo.