Overbeck stammte aus einer Lübecker Familie und erhielt dort seit 1805 Zeichenunterricht bei Joseph Nicolaus Peroux. 1806 nahm er ein Studium an der Wiener Kunstakademie auf.
Unzufrieden mit deren klassizistischer Ausrichtung gründete Overbeck 1809 zusammen mit seinem engen Freund Franz Pforr den "Lukasbund": eine christliche Künstlergruppe, die ihr Ideal in der deutschen Kunst des Mittelalters und der italienischen Renaissance sah.
1809 zogen die Lukasbrüder nach Rom und 1810 siedelten sich im Kloster Sant‘Isidoro an. 1813 konvertierte Overbeck zum Katholizismus.
1816 war er an der Ausstattung der Casa Bartholdy mit Fresken, 1817/27 an der Freskierung des Casino Massimo in Rom beteiligt.
Die inzwischen sogenannten Nazarener hatten Einfluss innerhalb der deutschen Künstlergesellschaft in Rom. Von vielen deutschen Institutionen umworben, blieb Overbeck jedoch zeitlebens in Rom.
Die Akademien in München und Düsseldorf bemühten sich 1826 um ihn. Das Städelsche Kunstinstitut versuchte 1829, ihn für Frankfurt zu gewinnen.
Anstelle seiner kam 1830 Philipp Veit, über den das Frankfurter Institut eng mit Overbeck verbunden blieb. 1840 vollendete Overbeck das von der Städeladministration in Auftrag gegebene Programmbild „Der Triumph der Religion in den Künsten“.
