Aus einer norddeutschen Patrizierfamilie stammend, bezog er 1806 die Akademie in Wien, deren ödem Lehrbetrieb er mit Pforr 1810 den Rücken wandte, um fortan in Rom zu leben.

Mit J. A. Koch, Cornelius und Schnorr v. Carolsfeld eng befreundet, wurde er das Haupt der sogenannten "Nazarener", die im Anschluß an die Malerei des italienischen Quattrocento eine Erneuerung der Kunst auf religiöser Grundlage anstrebten. Hauptwerk der Gruppe waren die Fresken der Casa Bartholdy, von denen Overbeck die Themen "Joseph wird von seinen Brüdern verkauft" und die "Sieben mageren Jahre" (heute Nationalgalerie Berlin) ausführte. In den rund 60 Lebensjahren, die Overbeck in Rom verbrachte, hat sich sein Stil kaum gewandelt. Er sah seine Aufgabe darin, "in seinen Bildern zu predigen".