Honestamente ... essa pergunta tem muitas respostas ... muitas para enumerar aqui. Em grande parte isso depende do tipo do sistema de arquivos ... e do sistema operacional lendo ... e também quais recursos do sistema de arquivos estão habilitados.
Todo sistema de arquivos tem algum tipo de "banco de dados", como você descreveu para traduzir um nome / caminho para um ou mais locais no disco. Como esse "banco de dados" funciona é o que torna cada sistema de arquivos diferente. Alguns métodos são melhores para algumas tarefas do que outros. Alguns são mais recuperáveis & redundante no caso de uma falha ... alguns são estritamente orientados para a velocidade e quase não têm recuperação no caso de uma única falha.
Dependendo do sistema operacional e do tipo de sistema de arquivos, o "banco de dados" pode ser parcial ou totalmente carregado na memória RAM para ajudar a acelerar o processo de localização da posição no disco. Alguns sistemas de arquivos fazem uso de listas vinculadas & b-trees ou outros tipos de árvores ordenadas, a fim de localizar rapidamente os arquivos. O registro no diário também pode acelerar os processos de leitura / gravação dramaticamente (dadas as condições certas). Existem até sistemas de arquivos (principalmente proprietários) que realmente são um banco de dados.
A verdadeira questão é ... Por que você quer saber ... e o que você está tentando realizar? Se você quer respostas mais específicas ... dê mais detalhes sobre o sistema operacional / plataforma / arquivo de que você está falando.