Avez-vous regardé le AddToSet méthode, si vous l'utilisez en combinaison avec la fonction de mise à jour au lieu de celle de remplacement, elle devrait garder un meilleur contrôle de votre atomicité.
var updateBuilder = Builders<Item>.Update.AddToSet(items => items.SubItems, new SubItem());
collection.UpdateOne(itemFilter, updateBuilder);
Comme dans votre cas.
public Task Save(string itemId, SubItem subItem)
{
var itemFilter = Builders<Item>.Filter.Eq(v => v.Id, itemId);
var collection = _db.GetCollection<Item>("Items");
var updateBuilder = Builders<Item>.Update.AddToSet(items => items.SubItems, subItem);
collection.UpdateOneAsync(itemFilter, updateBuilder, new UpdateOptions() { IsUpsert = true }).Wait();
}