Normalmente para hacer esto se deja todo el trabajo de mantener la sesión a un solo servidor. Algo como
www.dominio1.com,
www.dominio2.com, sesion.dominio1.com
Haces que las peticiones se redirijan a (o se comprueben contra) "sesion.dominio.com", el cual será el encargado de controlar la validez de la sesión.
Como ya lo mencionaste, no se puede tener cookies entre dominios, pero utilizando 1 solo servidor que se encargue de las sesiones, las cookies pertenecerán a ese mismo servidor.
Saludos.