Insira ou atualize com segurança o subdocumento no MongoDB

Você já olhou para o AddToSet método, se você usar isso em combinação com a função de atualização em vez de substituir, deve manter um melhor controle de sua atomicidade.

var updateBuilder = Builders<Item>.Update.AddToSet(items => items.SubItems, new SubItem());

collection.UpdateOne(itemFilter, updateBuilder);

Assim no seu caso.

    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();
    }