Protopopov comenzó a patinar relativamente tarde, a los 15 años, y fue entrenado por Nina Lepninskaya. En 1951, fue reclutado por la Flota del Báltico, pero aprovechó cada permiso para patinar. Su primera pareja fue Margarita Bogoyavlenskaya, con la que ganó la medalla de plata en los Campeonatos Soviéticos de 1953.
Protopopov conoció a Ludmila Belousova en la primavera de 1954 en Moscú. Ella se trasladó a Leningrado en 1955 y comenzó a entrenar con Protopopov en 1956 tras su licenciamiento.Entrenaron en el VSS Lokomotiv y compitieron internacionalmente para la URSS. Belousova y Protopopov fueron entrenados inicialmente por Igor Moskvin y luego por Pyotr Orlov, pero se separaron de éste tras varios desacuerdos. La pareja se entrenó entonces sin entrenador en una pista de Voskresensk, en la región de Moscú. En 1961, decidieron trabajar con Stanislav Zhuk para aumentar su dificultad técnica.
Belousova y Protopopov debutaron en los Campeonatos del Mundo en 1958, quedando en 13ª posición. Dos años más tarde compitieron en sus primeras Olimpiadas, quedando en 9º lugar. En 1962, subieron por primera vez al podio del Campeonato del Mundo, obteniendo la medalla de plata. Fueron la primera pareja de la Unión Soviética o de Rusia en ganar una medalla mundial desde la introducción de la disciplina en los Campeonatos del Mundo de 1908 (en los que sólo competían tres parejas). También ganaron la plata en los Campeonatos de Europa, convirtiéndose en la segunda pareja soviética en ganar medallas después de Nina Zhuk / Stanislav Zhuk (que ganaron la plata de 1958 a 1960).
La primera gran medalla de oro internacional de Belousova y Protopopov llegó en los Juegos Olímpicos de Invierno de 1964. Fue el primer oro olímpico por parejas para la Unión Soviética. Belousova y Protopopov iniciaron la racha de cuarenta años de medallas de oro soviéticas/rusas en patinaje por parejas, la más larga de la historia del deporte olímpico, desde 1964 hasta 2006.
Belousova y Protopopov ganaron sus primeras medallas de oro mundiales y europeas en 1965, y al hacerlo, también se convirtieron en la primera pareja soviética/rusa en ganar esos títulos.
Se convirtieron en campeones olímpicos por segunda vez en los Juegos Olímpicos de Invierno de 1968. A los 32 y 35 años, respectivamente, se convirtieron en los campeones más veteranos del patinaje artístico.
La temporada siguiente, ganaron la medalla de plata en los Campeonatos de Europa y el bronce en los Campeonatos del Mundo cuando Irina Rodnina comenzó su reinado con su primera pareja, Alexei Ulanov. Esas fueron las últimas apariciones de la pareja en las principales competiciones internacionales, pero seguirían compitiendo en la Unión Soviética hasta 1972.
En total, Belousova y Protopopov ganaron dos títulos olímpicos y también obtuvieron medallas en ocho ocasiones en los Campeonatos del Mundo y de Europa, incluyendo cuatro medallas de oro mundiales y europeas consecutivas. Tras retirarse de la competición, patinaron en espectáculos y siguen haciéndolo. En septiembre de 2015, renovaron su larga tradición de patinaje en una exhibición benéfica en Boston, Massachusetts, llamada «Evening with Champions».
Belousova y Protopopov contribuyeron al desarrollo del patinaje por parejas, incluyendo la introducción de tres espirales de la muerte: el interior hacia atrás (BIDS), el interior hacia adelante (FIDS) y el exterior hacia adelante (FODS), que apodaron espiral cósmica, espiral de la vida y espiral del amor, respectivamente. Dick Button declaró: «Los Protopopov son grandes patinadores no sólo porque fueron los mejores campeones olímpicos, sino también porque su impacto creativo fue extraordinario»
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