I 1870 ble Overbeck professor i nytestamentlig eksegese og kirkehistorie ved Universitetet i Basel, hvor han ble værende resten av sin karriere. Inntil 1875 bodde han i samme hus som professorkollegaen Friedrich Nietzsche. De to sluttet et varig vennskap, som blant annet ga seg utslag i en omfattende brevveksling.