Als langjähriger Inhaber von gleichzeitigen Wohnsitzen In D und CH kann ich dir sagen, dass die Definition des ersten Wohnsitzes nicht trivial ist.
Jeder Staat beansprucht den erstmal für sich. Als Dritter lässt sich nicht ohne weiteres erkennen, in welchem Fall was genau gilt (Lebensmittelpunkt, Steuerlicher Wohsitz, Einreiseregelungen (Spannend während Corona) etc. ).

Ergo dürftest du, bei strenger Auslegung, in keinem der beiden Staaten interrail nutzen. Deshalb: Bei der Fahrscheinkontrolle sollte deine vorgelegte ID dem entsprechend, was zum IR-Pass gehört.

Als eindrücklich möchte ich hier den Fall 'Führerschein' anführen. Bei Umzug ins Ausland ist der Schein umzuschreiben (und physisch abzugeben), da der deutsche im Ausland nach Fristablauf nicht mehr gilt. Der ausländische Führerschein bei deutschem Wohnsitz gilt aber nicht in D.
Möglichkeit a) in der Übergangszeit bis das deutsche Exemplar via Flensburg ausgehändigt wird nicht in D fahren
b) durch die Mühlen der Bürokratie und entsprechende Ausnahme erhalten und immer mitführen.
-> nicht nur die Eisenbahnen können an der Grenze kompliziert ;-)

Die Variante c) Reisepass und passender Wohnsitznachweises geht beim Beispiel 'Führerschein' nicht. Sobald eine Wohnsitzabfrage durchgeführt wird, gäbe es viel erklären...

Und was, wenn sich die die beiden Staaten nicht einigen können, welches der Hauptwohnsitz ist?

Meine Frau hat jahrelang in Österreich gearbeitet und hatte dort (aus deutscher Sicht) einen Zweitwohnsitz, da für die deutschen Behörden der gemeinsame Familienwohnsitz weiterhin der Hauptwohnsitz war.
Für die österreichischen Behörden war dagegen die Wohnung in AT der Hauptwohnsitz, da in Österreich sowohl Wohnung als auch Arbeitsstätte lagen und dort auch Lohnsteuern gezahlt wurden.

Was wäre dann als Nachweis anerkannt worden?
Deutscher Personalausweis mit deutscher Wohnadresse? Unproblematisch.
Deutscher Reisepass mit österreichischer Meldebestätigung als Hauptwohnsitz? Müsste anerkannt werden. Und da keine Adresse im Pass steht, sollte es auch nicht zu Diskussionen kommen.
Deutscher Personalausweis (inkl. deutscher Adresse) mit österreichischer Meldebestätigung als Hauptwohnsitz? Da würde ich vermuten, dass es zu Diskussionen kommen könnte.

Es zählt immer der Hauptwohnsitz. Ist ja bei Interrail innerhalb Europas auch so, in diesem Land sind dann die zwei Fahrten.

Hat man in Deutschland nur einen Wohnsitz, so ist dieser immer der Hauptwohnsitz, unabhängig davon, wie viele weitere Wohnsitze im Ausland man noch hat und wie lange man sich dort aufhält. Soweit das Melderecht, steuerlich kommt es auf die Zahl der Aufenthaltstage an.

Ich habe zwar eine residence card, die meinen aussereuropäischen Wohnsitz bestätigt, in Personalausweis und Reisepass steht allerdings der deutsche Wohnort. Meine Frau hat als Doppelstaatlerin noch einen Reisepass mit unserem Auslandswohnsitz, sie könnte das Angebot vermutlich nutzen. Schade, dass es für mich wahrscheinlich nicht geht, gerade der Germany Pass hätte mich schon gereizt, zumal er auch Fahrten nach Belgien und Norditalien erlaubt.