文档数据库通过三种主要机制处理分布式系统：分片、复制和一致性模型。分片将数据分割成分布在多个节点上的分区（分片），从而实现横向扩展。每个分片包含数据库的一个子集，其划分由分片键决定（例如，文档字段，如 user_id）。复制在不同的节点上创建分片的副本，以确保容错和高可用性。一致性模型定义了数据更新如何在节点之间传播，平衡可用性和准确性。例如，一些系统优先考虑即时一致性，确保所有节点反映最新的写入，而另一些系统则允许最终一致性以获得更快的性能。
一个具体的例子是 MongoDB，它使用分片将集合分布在集群中。开发者选择一个分片键，MongoDB 会自动将查询路由到正确的分片。MongoDB 中的副本集维护每个分片的多个副本，其中一个主节点处理写入，从节点复制数据。如果主节点发生故障，从节点将接管。Couchbase 采用类似的方法，使用自动分片（称为“vBuckets”）和跨数据中心复制。这两个数据库都允许开发者调整一致性：MongoDB 提供可调整的写关注（例如，要求来自多数节点的确认），而 Couchbase 使用“读己所写”语义来确保客户端立即看到自己的更新。
权衡是存在的。分片需要仔细选择分片键，以避免数据分布不均（例如，选择不当的分片键可能会导致单个节点过载）。如果强制执行同步一致性，复制会引入延迟，但放宽一致性则可能导致过时读取。文档数据库通常提供工具来缓解这些问题。例如，当添加或移除节点时，MongoDB 的均衡器会重新分布分片，而 Couchbase 的 N1QL 查询引擎则优化分布式查询。开发者必须平衡扩展性需求与一致性要求，选择与其应用优先级相符的配置（例如，对于全球应用偏好可用性，而对于金融系统偏好强一致性）。