Protopopov begyndte at skøjte relativt sent, i en alder af 15 år, og blev trænet af Nina Lepninskaya. I 1951 blev han indkaldt til den baltiske flåde, men brugte hver orlov til at skøjte. Hans første partner var Margarita Bogoyavlenskaya, med hvem han vandt sølvmedalje ved de sovjetiske mesterskaber i 1953.
Protopopov mødte Ludmila Belousova i foråret 1954 i Moskva. Hun flyttede til Leningrad i 1955 og begyndte at træne med Protopopov i 1956 efter hans udskrivning. de trænede i VSS Lokomotiv og konkurrerede internationalt for USSR. Belousova og Protopopov blev først trænet af Igor Moskvin og derefter af Pjotr Orlov, men skiltes fra Orlov efter en række uoverensstemmelser. Parret trænede derefter uden træner på en skøjtebane i Voskresensk i Moskva Oblast. I 1961 besluttede de at arbejde sammen med Stanislav Zhuk for at øge deres tekniske vanskeligheder.
Belousova og Protopopov debuterede ved verdensmesterskaberne i 1958 og sluttede på en 13. plads. To år senere deltog de ved deres første olympiske lege og opnåede en 9. plads. I 1962 kom de for første gang på podiet ved verdensmesterskaberne og vandt sølvmedalje. De var det første par fra Sovjetunionen eller Rusland, der vandt en verdensmedalje siden disciplinens indførelse ved verdensmesterskaberne i 1908 (hvor der kun deltog tre par). De vandt også sølv ved europamesterskaberne og blev dermed det andet sovjetiske par til at vinde medaljer efter Nina Zhuk / Stanislav Zhuk (som vandt sølv fra 1958 til 1960).
Belousova og Protopopovs første store internationale guldmedalje kom ved de olympiske vinterlege i 1964. Det var den første olympiske guldmedalje i parløb for Sovjetunionen. Belousova og Protopopov indledte den 40-årige sovjetiske/russiske guldmedaljeserie i parløb, den længste i olympisk idrætshistorie, fra 1964 til 2006.
Belousova og Protopopov vandt deres første VM- og EM-guldmedaljer i 1965 og blev dermed også det første sovjetiske/russiske par til at vinde disse titler.
De blev olympiske mestre for anden gang ved vinter-OL i 1968. Med en alder på henholdsvis 32 og 35 år var de blandt de ældste mestre i kunstskøjteløb.
I den følgende sæson vandt de sølv ved europamesterskaberne og bronze ved verdensmesterskaberne, da Irina Rodnina indledte sin regeringstid sammen med sin første partner, Alexei Ulanov. Det var parrets sidste optrædener ved større internationale konkurrencer, men de ville fortsætte med at konkurrere i Sovjetunionen indtil 1972.
I alt vandt Belousova og Protopopov to olympiske titler og vandt også medaljer otte gange ved både verdens- og europamesterskaberne, herunder fire på hinanden følgende VM- og EM-guldmedaljer. Efter at de trak sig tilbage fra konkurrencerne, skøjtede de i shows og gør det fortsat. I september 2015 fornyede de deres mangeårige tradition for at skøjte i en velgørenhedsudstilling i Boston, Massachusetts, kaldet “Evening with Champions”.
Belousova og Protopopov bidrog til udviklingen af parløb, herunder ved at introducere tre dødsspiraler – baglæns inde (BIDS), fremad inde (FIDS) og fremad ude (FODS), som de kaldte henholdsvis den kosmiske spiral, livsspiralen og kærlighedsspiralen. Dick Button udtalte: “Protopopovs er store skøjteløbere, ikke kun fordi de var de bedste olympiske mestre, men også fordi deres kreative indflydelse var ekstraordinær.”