Una forma de hacerlo sería con $push
:
db.col.update(
{ name: 'doc', 'list.id': 2 },
{$push: {'list.$.items': {id: 5, name: 'item5'}}}
)
http://docs.mongodb.org/manual/reference/operator/push/
También puede reemplazar $push
con otros operadores como (posiblemente) $addToSet
para obtener los resultados exactos que está buscando.