I 1902 ble Straube ansatt som organist i Thomaskirche i Leipzig og orgellærer på konservatoriet. Kort tid etter overtok han ledelsen av Bachforeningen (Bachverein) og i tillegg ansvaret for oppføringen av symfoniske verker med kor i Gewandhaus. Thomaskirken fikk med ansettelsen av Straube fornyet sin posisjon som et kirkemusikalsk sentrum. I Leipzig spilte han en viktig rolle under «gjenoppdagingen» av Johann Sebastian Bachs musikk. Da Gustav Schreck døde i 1918, ble Straube enstemmig valgt som hans etterfølger som Thomaskantor.