Protopopov aloitti luistelun suhteellisen myöhään, 15-vuotiaana, ja häntä valmensi Nina Lepninskaja. Vuonna 1951 hänet kutsuttiin Itämeren laivastoon, mutta hän käytti jokaisen lomansa luisteluun. Hänen ensimmäinen parinsa oli Margarita Bogojavlenskaja, jonka kanssa hän voitti hopeaa Neuvostoliiton mestaruuskilpailuissa 1953.
Protopopov tapasi Ludmila Belousovan keväällä 1954 Moskovassa. Hän muutti Leningradiin vuonna 1955 ja aloitti harjoittelun Protopopovin kanssa vuonna 1956 Protopopovin kotiuttamisen jälkeen. he harjoittelivat VSS Lokomotivissa ja kilpailivat kansainvälisesti Neuvostoliiton puolesta. Belousovaa ja Protopopovia valmensi aluksi Igor Moskvin ja sitten Pjotr Orlov, mutta he erosivat Orlovin kanssa erimielisyyksien jälkeen. Sen jälkeen kaksikko harjoitteli ilman valmentajaa Voskresenskin jäähallissa Moskovan alueella. Vuonna 1961 he päättivät työskennellä Stanislav Zhukin kanssa parantaakseen teknisiä vaikeuksiaan.
Belousova ja Protopopov debytoivat MM-kilpailuissa vuonna 1958 sijoittumalla 13. sijalle. Kaksi vuotta myöhemmin he kilpailivat ensimmäisissä olympialaisissa sijoittuen yhdeksänneksi. Vuonna 1962 he nousivat ensimmäistä kertaa MM-kisojen palkintokorokkeelle ansaitsemalla hopeamitalin. He olivat ensimmäiset Neuvostoliiton tai Venäjän parit, jotka voittivat maailmanmestaruuden sen jälkeen, kun laji otettiin käyttöön vuoden 1908 MM-kilpailuissa (joissa kilpaili vain kolme paria). He voittivat hopeaa myös EM-kilpailuissa, ja heistä tuli toinen neuvostoliittolainen mitalipari Nina Zhuk / Stanislav Zhukin jälkeen (jotka voittivat hopeaa vuosina 1958-1960).
Belousovan ja Protopopovin ensimmäinen suuri kansainvälinen kultamitali tuli vuoden 1964 talviolympialaisissa. Se oli Neuvostoliiton ensimmäinen olympiaparikulta. Belousova ja Protopopov aloittivat Neuvostoliiton/Venäjän neljänkymmenen vuoden kultamitaliputken pariluistelussa, joka on olympiaurheilun historian pisin, vuodesta 1964 vuoteen 2006.
Belousova ja Protopopov voittivat ensimmäiset MM- ja EM-kultamitalinsa vuonna 1965 ja tulivat samalla myös ensimmäiseksi Neuvostoliiton/Venäjän pariksi, joka on voittanut nuo tittelit.
Heistä tuli olympiavoittajia toista kertaa talviolympialaisissa 1968. He olivat 32- ja 35-vuotiaina taitoluistelun vanhimpia mestareita.
Seuraavalla kaudella he voittivat EM-hopeaa ja MM-pronssia, kun Irina Rodnina aloitti valtakautensa ensimmäisen parinsa Aleksei Ulanovin kanssa. Nämä olivat parin viimeiset esiintymiset suurissa kansainvälisissä kilpailuissa, mutta he jatkoivat kilpailemista Neuvostoliiton sisällä vuoteen 1972 asti.
Kokonaisuudessaan Belousova ja Protopopov voittivat kaksi olympiavoittoa ja voittivat myös kahdeksan kertaa mitaleita sekä MM- että EM-kilpailuissa, mukaan lukien neljä peräkkäistä MM- ja EM-kultaa. Lopetettuaan kilpailutoiminnan he luistelivat näytöksissä ja luistelevat edelleen. Syyskuussa 2015 he uudistivat pitkäaikaisen luisteluperinteensä Bostonissa, Massachusettsissa järjestetyssä hyväntekeväisyysnäyttelyssä nimeltä ”Evening with Champions”.
Belousova ja Protopopov vaikuttivat pariluistelun kehitykseen muun muassa ottamalla käyttöön kolme kuoleman spiraalia – takaperin sisäpuolelle (BIDS), eteenpäin sisäpuolelle (FIDS) ja eteenpäin ulkopuolelle (FODS) – jotka he nimesivät vastaavasti Kosmiseksi spiraaliksi, Elämän spiraaliksi ja Rakkauden spiraaliksi. Dick Button totesi: ”Protopopovit ovat suuria luistelijoita paitsi siksi, että he olivat olympiavoittajista hienoimpia, myös siksi, että heidän luova vaikutuksensa oli poikkeuksellinen.”