Acho que descobri depois de verificar os documentos do Mongo. Basicamente, existe há uma diferença na semântica entre os dois. Essencialmente, na primeira forma da consulta {c: {d: d1}} , o mongo assume que você está especificando o todo subdocumento. Portanto, se você tiver um subdocumento {c: {d: d1, e: e1}} , não corresponderá.

OTOH, a segunda forma da consulta {'c.d': d1} implica que você está especificando apenas uma correspondência em um campo dentro do subdocumento. Isso corresponderia mesmo se o subdocumento tiver outros campos ou subdocumentos inteiros.

Essa diferença se estende ao índice. _ensureIndex({c: 1}) e _ensureIndex({'c.d': 1}) são dois índices diferentes e, embora o primeiro indexe todo o subdocumento, ele não será usado se você consultar um campo individual com o c.d notação.