Músic dotat d’una extensa i completa formació, el 1938 oferí a Duke Ellington una composició seva. Ellington, profundament impressionat, l’any següent l’incorporà a la seva orquestra com a arranjador, compositor associat i segon pianista. L’estreta i empàtica col·laboració que tots dos músics mantingueren al llarg de quasi tres dècades fa difícil precisar les aportacions de cadascú, però cal estimar que Strayhorn fou en bona part responsable del so de la banda, per a la qual compongué una gran quantitat de cançons, com Take the ’A’ Train (1941) i Satin Doll (1954). De les balades de Strayhorn destaquen Day Dream (1940) i Lotus Blossom (1946). La cançó Lush Life, escrita abans de conèixer Ellington, mai no fou tocada per la seva orquestra. D’entre els pocs discos que enregistrà com a titular cal destacar The Peaceful Side (1961). Strayhorn és considerat un dels compositors nord-americans més importants, tot i que la seva figura quedà eclipsada per la de Duke Ellington.