Да, это возможно. В основном объединения будут реализованы путем обычного выбора из одной таблицы (возможно, поиска ключа или сканирования диапазона), а затем поиска ключа соединения в другой таблице. Во втором поиске будет использоваться соответствующий индекс для другой таблицы (при условии, что такой индекс существует, и оптимизатор решит, что его целесообразно использовать).
Интерфейс механизма хранения MySQL позволяет серверу использовать индексы из разных механизмов в одном запросе.
Независимо от того, существует ограничение внешнего ключа или нет, это не имеет значения для выбора - он все равно будет использовать подходящие индексы.