Franz Overbeck var sønn av den tyske kjøpmannen Franz Heinrich Herrmann Overbeck og Jeanne Camille Cerclet, som var født inn i en fransk familie i St. Petersburg. Han vokste opp først i St. Petersburg, og siden i Paris, før han i 1850 flyttet til Dresden. Han studerte evangelisk teologi ved universitetene i Leipzig, Göttingen, Berlin og Jena. I 1859 fikk han doktorgraden, og habiliterte seg med en avhandling over Hippolyt fra Roma i 1864. Som student sluttet han vennskap med historikeren Heinrich von Treitschke.