Eu não tenho conhecimento da existência de regra sobre esse assunto, e a posição que vou assumir baseia-se apenas na minha intuição enquanto falante nativo: leite em pó desnatado ou leite desnatado em pó são igualmente corretos. a escolha entre um e outro depende da maneira como o falante, quase de certeza sem se dar conta, classifica mentalmente as coisas. Entretanto, um membro empreendedor da nossa comunidade colocou a questão ao Ciberdúvidas, que confirma a correção das duas expressões.
Uma possibilidade é classificar o leite primeiro de acordo com a forma, líquida ou em pó; considerar cada forma como um produto diferente, e só depois classificar cada um destes produtos quanto ao teor de gordura. Esta lógica da forma impõe-se facilmente como natural, por as duas formas serem tão diferentes, e conduz naturalmente a leite em pó desnatado. O argumentoa presentado pelo Jorge B noutra resposta assume implicitamente que a lógica da forma é a única válida.
Mas também é possível pensar que primeiro o leite é ou não desnatado, e os dois produtos, leite integral e leite desnatado, só depois são ou não reduzidos a pó. É assim de facto que o leite em pó desnatado é fabricado. Mas bastaria o falante acreditar que era assim, mesmo que não fosse, para poder adotar esta lógica da fabricação, o que conduz naturalmente a pensar em leite desnatado em pó. É esta a lógica que o OP acha mais natural.
A meu ver ambas as lógicas são perfeitamente defensáveis, e leite em pó desnatado e leite desnatado em pó são expressões igualmente corretas e sinónimas. Uma pesquisa no Google mostra que ambas as classificações mentais são usadas, ainda que a lógica da forma seja muito mais comum que a lógica da fabricação: leite em pó desnatado ocorre seis vezes mais que leite desnatado em pó, 190 contra 33 milhares. Em várias páginas ocorrem ambas as expressões, o que indica que muitos falantes, ou escreventes neste caso, mudam facilmente de uma para a outra.
Há agora uma coisa curiosa. Em Portugal os temos são leite gordo e leite magro. Ora enquanto leite desnatado em pó e leite em pó desnatado me soam igualmente bem, leite magro em pó soa-me mais natural que leite em pó magro, apesar de todas os quatro nomes designarem exatamente o mesmo produto. Talvez a confirmar que não sou o único, na pesquisa do Google, leite em pó magro ocorre apenas o dobro das vezes de leite magro em pó, (cerca de seis contra três milhares, enquanto no caso dos equivalentes desnatados a diferença é de seis para um).
Agora, o OP levanta o potencial problema da ambiguidade em leite em pó desnatado, de se saber se desnatado qualifica o pó ou o leite. Este problema não se coloca ao falante nativo. O falante nativo não separa leite em pó desnatado em leite + pó desnatado; separa em leite em pó + desnatado.
Nem sempre a ordem dos adjetivos é arbitrária. Por exemplo, consideremos os atributos líquido/em pó e barato/caro. Creio que ninguém diria leite barato em pó. Ser líquido ou em pó é uma caraterística intrínseca do leite, enquanto ser caro ou barato é uma caraterística externa, mais acidental. Portanto é natural classificar primeiro o leite quanto à forma e só depois quanto ao preço, resultando naturalmente em leite em pó barato. No caso anterior, líquido/barato e desnatado/integral são ambos atributos intrínsecos do leite, pelo que a lógica da forma e da fabricação são ambas naturais. Se alguém me falasse em leite barato em pó eu possivelmente interpretaria barato como de má qualidade, adotando uma lógica de fabricação, em que leite líquido de má qualidade fora desidratado.
