Geertjan Overbeek doet onderzoek naar de rol van ouder-kindinteracties en interacties met leeftijdsgenoten in de sociaal-emotionele ontwikkeling, en gedragsontwikkeling van kinderen en adolescenten. Hij is onder andere betrokken bij onderzoek naar de effectiviteit van (preventieve) interventies op dit terrein, zoals bijvoorbeeld EQUIP (een interventie gericht op het terugdringen van wet overtredend gedrag bij jongeren) en het schoolpreventiepgramma De Gezonde School en Genotmiddelen. In 2011 verwierf Overbeek  een NWO-subsidie voor onderzoek naar de genetisch gebaseerde ontvankelijkheid van kinderen voor het opvoedgedrag van hun ouders. Hij onderzoekt dit middels een randomized trial van de oudertraining Incredible Years. 

Als hoogleraar gaat Overbeek onder andere onderzoeken voor welke kinderen opvoedgedrag van ouders het sterkst doorwerkt. Wat zijn de temperaments- en genetische factoren van kinderen die bijdragen aan een verhoogde ontvankelijkheid voor belonings- en strafsignalen in de opvoeding? En hebben ontvankelijke kinderen (en hun ouders) ook relatief veel baat bij opvoedingsinterventies?

Overbeek werkte sinds 2010 als universitair hoofddocent Ontwikkelingspsychopathologie aan de Universiteit Utrecht. Daarvoor werkte hij als universitair docent aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Overbeek ontving verschillende  onderzoeksprijzen en onderzoekssubsidies, waaronder een Veni- en Vidi-subsidie van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Overbeek heeft vele publicaties in wetenschappelijke tijdschriften op zijn naam staan, waaronder in Developmental Psychology, Journal of Personality and Social Relationships, Psychological Science en Journal of Child Psychology and Psychiatry. In 2011 werd Overbeek op de Universiteit Utrecht verkozen tot jong docenttalent van het jaar. Overbeek zit in de uitvoerende raad van de European Association for Research on Adolescence (EARA) en is betrokken bij postdoctoraal onderwijs voor klinisch psychologen en orthopedagogen.