Protopopov begann relativ spät, mit 15 Jahren, mit dem Eislaufen und wurde von Nina Lepninskaya trainiert. Im Jahr 1951 wurde er zur Baltischen Flotte eingezogen, nutzte aber jeden Urlaub zum Schlittschuhlaufen. Seine erste Partnerin war Margarita Bogojawlenskaja, mit der er 1953 die Silbermedaille bei den sowjetischen Meisterschaften gewann.
Protopopow lernte Ludmila Belousowa im Frühjahr 1954 in Moskau kennen. Sie zog 1955 nach Leningrad und begann 1956 nach seiner Entlassung mit Protopopov zu trainieren. Sie trainierten bei VSS Lokomotiv und traten international für die UdSSR an. Belousova und Protopopov wurden zunächst von Igor Moskvin und dann von Pjotr Orlov trainiert, trennten sich aber nach einigen Meinungsverschiedenheiten von Orlov. Die beiden trainierten daraufhin ohne Trainer auf einer Eisbahn in Woskresensk im Gebiet Moskau. 1961 beschlossen sie, mit Stanislav Zhuk zu arbeiten, um ihre technischen Schwierigkeiten zu verbessern.
Belousova und Protopopov debütierten 1958 bei den Weltmeisterschaften und belegten den 13. Zwei Jahre später nahmen sie an ihrer ersten Olympiade teil und belegten den 9. Platz. Platz. 1962 standen sie zum ersten Mal auf dem Weltmeisterschaftspodium und gewannen die Silbermedaille. Sie waren das erste Paar aus der Sowjetunion oder Russland, das seit der Einführung der Disziplin bei den Weltmeisterschaften 1908 (bei denen nur drei Paare antraten) eine Weltmedaille gewann. Sie gewannen auch Silber bei den Europameisterschaften und waren damit das zweite sowjetische Paar, das Medaillen gewann, nach Nina Zhuk/Stanislav Zhuk (die von 1958 bis 1960 Silber gewannen).
Belousova und Protopopovs erste große internationale Goldmedaille erhielten sie bei den Olympischen Winterspielen 1964. Es war das erste olympische Gold im Paarlauf für die Sowjetunion. Belousova und Protopopov begannen die vierzigjährige sowjetisch-russische Goldmedaillen-Serie im Paarlauf, die längste in der Geschichte des olympischen Sports, von 1964 bis 2006.
Belousova und Protopopov gewannen 1965 ihre ersten Goldmedaillen bei Welt- und Europameisterschaften und wurden damit auch das erste sowjetisch-russische Paar, das diese Titel gewann.
Bei den Olympischen Winterspielen 1968 wurden sie zum zweiten Mal Olympiasieger. Mit 32 bzw. 35 Jahren gehörten sie zu den ältesten Meistern im Eiskunstlauf.
In der folgenden Saison gewannen sie die Silbermedaille bei den Europameisterschaften und Bronze bei den Weltmeisterschaften, als Irina Rodnina ihre Regentschaft mit ihrem ersten Partner, Alexei Ulanov, begann. Dies waren die letzten Auftritte des Paares bei großen internationalen Wettbewerben, aber sie traten noch bis 1972 in der Sowjetunion an.
Insgesamt gewannen Belousova und Protopopov zwei olympische Titel und holten achtmal Medaillen bei Welt- und Europameisterschaften, darunter viermal Gold bei Welt- und Europameisterschaften in Folge. Nach ihrem Rücktritt von den Wettkämpfen traten sie in Shows auf und tun dies auch weiterhin. Im September 2015 erneuerten sie ihre langjährige Tradition des Eislaufens in einer karitativen Ausstellung in Boston, Massachusetts, mit dem Titel „Evening with Champions“.
Belousova und Protopopov trugen zur Entwicklung des Paarlaufs bei und führten unter anderem drei Todesspiralen ein – die Rückwärts-Innenspirale (BIDS), die Vorwärts-Innenspirale (FIDS) und die Vorwärts-Außenspirale (FODS), die sie jeweils als Kosmische Spirale, Lebensspirale und Liebesspirale bezeichneten. Dick Button erklärte: „Die Protopopovs sind nicht nur deshalb großartige Eiskunstläufer, weil sie die besten Olympiasieger waren, sondern auch, weil ihr kreativer Einfluss außergewöhnlich war.“