Protopopov začal bruslit poměrně pozdě, v 15 letech, a trénovala ho Nina Lepninská. V roce 1951 byl odveden do Baltské flotily, ale každé volno využíval k bruslení. Jeho první partnerkou byla Margarita Bogojevlenská, s níž získal stříbrnou medaili na mistrovství Sovětského svazu v roce 1953.
Protopopov se seznámil s Ludmilou Bělousovou na jaře 1954 v Moskvě. Ta se v roce 1955 přestěhovala do Leningradu a po propuštění z armády začala v roce 1956 trénovat s Protopopovem. trénovali ve VSS Lokomotiv a účastnili se mezinárodních soutěží za SSSR. Bělousovovou a Protopopova trénoval zpočátku Igor Moskvin a poté Pjotr Orlov, ale po řadě neshod se s Orlovem rozešli. Dvojice pak trénovala bez trenéra na kluzišti ve Voskresensku v Moskevské oblasti. V roce 1961 se rozhodli spolupracovat se Stanislavem Žukem, aby zvýšili svou technickou náročnost.
Bělousovová a Protopopov debutovali na mistrovství světa v roce 1958 a skončili na 13. místě. O dva roky později startovali na své první olympiádě, kde se umístili na 9. místě. V roce 1962 se poprvé dostali na stupně vítězů na mistrovství světa a získali stříbrnou medaili. Byli první dvojicí ze Sovětského svazu nebo Ruska, která získala světovou medaili od zavedení této disciplíny na mistrovství světa v roce 1908 (na kterém startovaly pouze tři dvojice). Stříbro získali také na mistrovství Evropy, čímž se stali druhým sovětským párem, který získal medaili po dvojici Nina Žuk / Stanislav Žuk (stříbro získali v letech 1958-1960).
První velkou mezinárodní zlatou medaili získali Bělousovová a Protopopov na zimních olympijských hrách v roce 1964. Bylo to první olympijské zlato pro dvojice ze Sovětského svazu. Bělousovová a Protopopov zahájili čtyřicetiletou sovětsko-ruskou sérii zlatých medailí v párovém bruslení, nejdelší v historii olympijských sportů, která trvala od roku 1964 do roku 2006.
Bělousovová a Protopopov získali v roce 1965 první zlatou medaili ze světových a evropských her, a tím se také stali prvním sovětsko-ruským párem, který tyto tituly získal.
Podruhé se stali olympijskými vítězi na zimních olympijských hrách 1968. Ve svých 32, respektive 35 letech patřili mezi nejstarší mistry světa v krasobruslení.
V následující sezóně získali stříbrnou medaili na mistrovství Evropy a bronzovou na mistrovství světa, když Irina Rodninová začala kralovat se svým prvním partnerem Alexejem Ulanovem. To byla poslední vystoupení této dvojice na velkých mezinárodních soutěžích, ale v rámci Sovětského svazu pokračovali v soutěžích až do roku 1972.
Bělousovová a Protopopov získali celkem dva olympijské tituly a osmkrát získali medaile také na mistrovstvích světa a Evropy, včetně čtyř zlatých medailí ze světových a evropských šampionátů po sobě. Po ukončení závodní činnosti se věnovali a nadále věnují exhibičnímu bruslení. V září 2015 obnovili svou dlouholetou tradici bruslení na charitativní exhibici v Bostonu ve státě Massachusetts nazvané „Večer s mistry“.
Belousovová a Protopopov přispěli k rozvoji bruslení dvojic, mimo jiné zavedli tři spirály smrti – dozadu dovnitř (BIDS), dopředu dovnitř (FIDS) a dopředu ven (FODS), které nazvali Kosmická spirála, Spirála života a Spirála lásky. Dick Button prohlásil: „Protopopovovi jsou velcí bruslaři nejen proto, že byli nejlepšími olympijskými vítězi, ale také proto, že jejich tvůrčí působení bylo mimořádné.“
.