具体的には

import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.*;
import javax.imageio.ImageIO;

public class GnuplotUser5 {
    private static final String GNUPLOT = "/usr/bin/gnuplot";

    public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
        Process p = new ProcessBuilder(GNUPLOT, "-").start();
        PrintWriter out = new PrintWriter(new BufferedWriter(new OutputStreamWriter(p.getOutputStream())));
        BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(p.getInputStream());

        out.println("set terminal png");
        out.println("plot sin(x)");
        out.println("set output");
        out.flush();
        BufferedImage image = ImageIO.read(in);
        System.err.println(image);

        out.close();
        in.close();
        p.waitFor();
    }
}

$ java GnuplotUser5 
BufferedImage@18ca663: type = 13 IndexColorModel: #pixelBits = 8 numComponents =
 3 color space = java.awt.color.ICC_ColorSpace@ffc3eb transparency = 1 transInde
x   = -1 has alpha = false isAlphaPre = false ByteInterleavedRaster: width = 640
 height = 480 #numDataElements 1 dataOff[0] = 0

gnuplotからの入力ストリームinを閉じなくてもimageが正しく返される。
以前に示したものと同様のout.flush()が無い場合はImageIO#readから戻ってこない。
単にフラッシュするのを忘れただけだったのだ。