Protopopov viszonylag későn, 15 évesen kezdett korcsolyázni, és Nina Lepninszkaja volt az edzője. 1951-ben behívták a Balti Flottához, de minden szabadságát korcsolyázásra használta fel. Első partnere Margarita Bogojavlenszkaja volt, akivel az 1953-as szovjet bajnokságon ezüstérmet nyert.
Protopopov 1954 tavaszán Moszkvában találkozott Ludmila Belousovával. A lány 1955-ben Leningrádba költözött, és Protopopov leszerelése után 1956-ban kezdett el vele edzeni. 1956-ban a VSS Lokomotivnál edzettek, és nemzetközi versenyeken indultak a Szovjetunió számára. Belousovát és Protopopovot kezdetben Igor Moskvin, majd Pjotr Orlov edzette, de több nézeteltérés után elváltak útjaik Orlovval. A páros ezután edző nélkül edzett a Moszkvai területen található Voszkreszenszkben található jégpályán. 1961-ben úgy döntöttek, hogy Sztanyiszlav Zsukkal dolgoznak együtt, hogy növeljék technikai nehézségeiket.
Belousova és Protopopov 1958-ban debütált a világbajnokságon, és a 13. helyen végzett. Két évvel később első olimpiájukon indultak, ahol a 9. helyen végeztek. 1962-ben álltak először a világbajnoki dobogóra, ezüstérmet szereztek. Ők voltak az első szovjet vagy orosz páros, akik világbajnoki érmet nyertek a sportág 1908-as világbajnokságon történt bevezetése óta (ahol csak három páros indult). Az Európa-bajnokságon is ezüstérmet nyertek, ezzel ők lettek a második szovjet pár, akik érmet nyertek a Nina Zhuk/Sztanyiszlav Zhuk páros után (akik 1958 és 1960 között ezüstérmet nyertek).
Belousova és Protopopov első nagy nemzetközi aranyérmét az 1964-es téli olimpián szerezte. Ez volt az első olimpiai páros arany a Szovjetunió számára. Belousova és Protopopov kezdte meg a negyvenéves szovjet/orosz aranyérmes sorozatot páros korcsolyázásban, amely a leghosszabb az olimpiai sportágak történetében, 1964-től 2006-ig.
Belousova és Protopopov 1965-ben szerezte meg első világ- és Európa-bajnoki aranyérmét, és ezzel egyben az első szovjet/orosz páros lett, amely megnyerte ezeket a címeket.
Az 1968-as téli olimpián másodszor is olimpiai bajnokok lettek. 32, illetve 35 évesen a műkorcsolyázás legidősebb bajnokai közé tartoztak.
A következő szezonban ezüstérmet nyertek az Európa-bajnokságon és bronzérmet a világbajnokságon, amikor Irina Rodnina megkezdte uralkodását első partnerével, Alekszej Ulanovval. Ezek voltak a páros utolsó szereplései a nagy nemzetközi versenyeken, de a Szovjetunióban 1972-ig folytatták a versenyzést.
A Belousova és Protopopov összesen két olimpiai bajnoki címet nyert, és nyolcszor nyertek érmet a világ- és az Európa-bajnokságon is, köztük négy egymást követő világ- és Európa-bajnoki aranyérmet. Miután visszavonultak a versenyzéstől, showműsorokban korcsolyáztak és korcsolyáznak ma is. 2015 szeptemberében a Massachusetts állambeli Bostonban egy jótékonysági kiállításon, az “Evening with Champions” (Este a bajnokokkal) elnevezésű rendezvényen újították fel hosszú évek óta tartó hagyományukat.
Belousova és Protopopov hozzájárult a páros korcsolyázás fejlődéséhez, többek között három halálspirál bevezetésével – a hátrafelé belső (BIDS), előre belső (FIDS) és előre külső (FODS), amelyeket kozmikus spirálnak, életspirálnak, illetve szerelemspirálnak neveztek el. Dick Button kijelentette: “A Protopopovok nem csak azért nagyszerű korcsolyázók, mert a legjobb olimpiai bajnokok voltak, hanem azért is, mert kreatív hatásuk rendkívüli volt.”