Graças a um tópico do github compartilhado por Grégory NEUT nos comentários da pergunta pude estabelecer alguns fatos:

1. O método populate() do Mongoose não usa $lookup do MongoDB nos bastidores. Ele simplesmente faz outra consulta ao banco de dados.
2. O Mongoose não possui funcionalidades que o MongoDB não possui. populate() apenas faz duas ou mais consultas.

Na minha opinião, existem lugares para usar populate() e outros para usar $lookup . Para consultas mais complexas $lookup em um pipeline de agregação funcionaria melhor.