Родился в Любеке 3 июля 1789. Увлекшись рисованием, испытал влияния В.Тишбейна и Ф.О.Рунге. В 18061809 учился в венской Академии художеств. В 1809 вместе со своим другом Ф.Пфорром основал группу «назарейцев» («Братство св. Луки»), выполняя впоследствии роль ее духовного вождя. С 1810 жил и работал в Риме. В 1813 принял католичество. Был дружен с А.А.Ивановым, который высоко ценил его советы.
В своих произведениях, плавных по композиционному строю, написанных в мягких локальных гаммах, стремился возродить религиозные идеалы ренессансного искусства, вдохновляясь, в первую очередь, живописью Перуджино, Рафаэля и А.Дюрера. Ярким выражением этой тенденции явилось полотно Италия и Германия (18111828, Новая пинакотека, Мюнхен), где две женских фигуры на фоне типично ренессансного пейзажа олицетворяют содружество итальянских и немецких традиций. Был одаренным портретистом, и в этой области склонным к исторической стилизации (Автопортрет с женой и сыном, скомпонованный в духе сцен со Святым Семейством; 1820, Художественный музей, Любек). Среди его поздних работ цикл полотен Семь таинств (18571862) и программное полотно Торжество религии в искусстве (18301840, Штеделевский художественный институт, Франкфурт-на-Майне), написанное по мотивам рафаэлевских фресок Диспута и Афинская школа (в ватиканской Станце делла Сеньятура).
Не раз выступал как живописец-монументалист: вместе с другими назарейцами расписал Палаццо Дзуккари (или Каза Бартольди; 18161817, ныне все фрески находятся в берлинских Государственных музеях) и парковый павильон виллы Массимо (18181828; оба здания в Риме).
Умер Овербек в Риме 12 ноября 1869.