Protopopov begon relatief laat met schaatsen, op 15-jarige leeftijd, en werd gecoacht door Nina Lepninskaya. In 1951 werd hij opgeroepen voor de Baltische Vloot, maar hij gebruikte elk verlof om te schaatsen. Zijn eerste partner was Margarita Bogojavlenskaja, met wie hij de zilveren medaille won op de Sovjet Kampioenschappen van 1953.
Protopov ontmoette Ludmila Belousova in de lente van 1954 in Moskou. Zij verhuisde in 1955 naar Leningrad en begon in 1956 na zijn ontslag met Protopopov te trainen.Zij trainden bij VSS Lokomotiv en streden internationaal voor de USSR. Belousova en Protopopov werden aanvankelijk gecoacht door Igor Moskvin en vervolgens door Pjotr Orlov, maar na een aantal meningsverschillen scheidden ze van Orlov. Het duo trainde vervolgens zonder coach op een ijsbaan in Voskresensk, Oblast Moskou. In 1961 besloten ze samen te werken met Stanislav Zjoek om hun technische moeilijkheden te verbeteren.
Belousova en Protopopov debuteerden op de Wereldkampioenschappen in 1958 en eindigden daar als 13e. Twee jaar later namen ze deel aan hun eerste Olympische Spelen, waar ze 9e werden. In 1962 stonden ze voor het eerst op het podium van het wereldkampioenschap met zilver. Zij waren het eerste paar uit de Sovjet-Unie of Rusland dat een wereldmedaille won sinds de invoering van de discipline op de wereldkampioenschappen van 1908 (waar slechts drie paren deelnamen). Zij wonnen ook zilver op de Europese kampioenschappen en werden daarmee het tweede Sovjetpaar dat medailles won na Nina Zhuk / Stanislav Zhuk (die zilver wonnen van 1958 tot 1960).
Belousova en Protopopov’s eerste grote internationale gouden medaille kwam op de Olympische Winterspelen van 1964. Het was het eerste gouden Olympisch paar voor de Sovjet-Unie. Belousova en Protopopov begonnen de veertigjarige Sovjet/Russische gouden medaille streak in het paren schaatsen, de langste in de Olympische sportgeschiedenis, van 1964 tot 2006.
Belousova en Protopopov wonnen hun eerste Wereld en Europese gouden medailles in 1965, en werden daarmee ook het eerste Sovjet/Russische paar dat deze titels won.
Ze werden voor de tweede keer Olympisch kampioen op de Olympische Winterspelen van 1968. Met respectievelijk 32 en 35 jaar behoorden zij tot de oudste kampioenen in het kunstschaatsen.
Het daaropvolgende seizoen wonnen zij de zilveren medaille op de Europese kampioenschappen en brons op de Wereldkampioenschappen toen Irina Rodnina haar bewind begon met haar eerste partner, Alexei Ulanov. Dat waren de laatste optredens van het paar op grote internationale wedstrijden, maar ze zouden binnen de Sovjet-Unie blijven concurreren tot 1972.
In totaal wonnen Belousova en Protopopov twee Olympische titels en wonnen ook acht keer medailles op zowel de Wereld- als de Europese Kampioenschappen, waaronder vier opeenvolgende Wereld- en Europese gouden medailles. Na hun terugtrekking uit de competitie, schaatsten ze in shows en blijven dat doen. In september 2015 hernieuwden ze hun jarenlange traditie van schaatsen in een liefdadigheidstentoonstelling in Boston, Massachusetts, genaamd “Evening with Champions”.
Belousova en Protopopov droegen bij aan de ontwikkeling van paren schaatsen, waaronder het introduceren van drie doodsspiralen – de achterwaartse binnenkant (BIDS), voorwaartse binnenkant (FIDS), en voorwaartse buitenkant (FODS), die ze respectievelijk de Kosmische spiraal, Levensspiraal, en Liefdesspiraal noemden. Dick Button verklaarde: “De Protopopovs zijn grote schaatsers, niet alleen omdat ze de beste van de Olympische kampioenen waren, maar ook omdat hun creatieve impact buitengewoon was.”