Protopopov a început să patineze relativ târziu, la vârsta de 15 ani, și a fost antrenat de Nina Lepninskaya. În 1951, a fost înrolat în Flota Baltică, dar a folosit fiecare permisie pentru a patina. Prima sa parteneră a fost Margarita Bogoyavlenskaya, cu care a câștigat medalia de argint la Campionatele sovietice din 1953.
Protopopov a întâlnit-o pe Ludmila Belousova în primăvara anului 1954 la Moscova. Ea s-a mutat la Leningrad în 1955 și a început să se antreneze cu Protopopopov în 1956, după externarea acestuia. ei s-au antrenat la VSS Lokomotiv și au concurat la nivel internațional pentru URSS. Belousova și Protopopopov au fost antrenați inițial de Igor Moskvin și apoi de Piotr Orlov, dar s-au despărțit de Orlov după o serie de dezacorduri. Cei doi s-au antrenat apoi fără antrenor la un patinoar din Voskresensk, regiunea Moscovei. În 1961, au decis să lucreze cu Stanislav Zhuk pentru a-și ridica dificultatea tehnică.
Belousova și Protopopopov au debutat la Campionatele Mondiale în 1958, terminând pe locul 13. Doi ani mai târziu, ei au concurat la prima lor Olimpiadă, clasându-se pe locul 9. În 1962, au urcat pentru prima dată pe podiumul Campionatului Mondial, obținând medalia de argint. Ei au fost prima pereche din Uniunea Sovietică sau din Rusia care a câștigat o medalie mondială de la introducerea disciplinei la Campionatele Mondiale din 1908 (la care au concurat doar trei perechi). Ei au câștigat, de asemenea, argintul la Campionatele Europene, devenind a doua pereche sovietică medaliată după Nina Zhuk / Stanislav Zhuk (care au câștigat argintul între 1958 și 1960).
Prima medalie de aur internațională majoră a lui Belousova și Protopopopov a venit la Jocurile Olimpice de iarnă din 1964. A fost primul aur olimpic în perechi pentru Uniunea Sovietică. Belousova și Protopopopov au început seria de patruzeci de ani de medalii de aur sovietice/rusești la patinaj pe perechi, cea mai lungă din istoria sporturilor olimpice, din 1964 până în 2006.
Belousova și Protopopopov au câștigat primele lor medalii de aur mondiale și europene în 1965 și, astfel, au devenit și prima pereche sovietică/rusă care a câștigat aceste titluri.
Au devenit campioni olimpici pentru a doua oară la Jocurile Olimpice de iarnă din 1968. La 32, respectiv 35 de ani, au fost printre cei mai vârstnici campioni din patinajul artistic.
În sezonul următor, au câștigat medalia de argint la Campionatele Europene și bronz la Campionatele Mondiale, Irina Rodnina începându-și domnia cu primul ei partener, Alexei Ulanov. Acestea au fost ultimele apariții ale perechii la competiții internaționale majore, dar vor continua să concureze în cadrul Uniunii Sovietice până în 1972.
În total, Belousova și Protopopopov au câștigat două titluri olimpice și, de asemenea, au câștigat medalii de opt ori atât la Campionatele Mondiale, cât și la cele Europene, inclusiv patru medalii de aur consecutive la Mondiale și Europene. După ce s-au retras din competiții, au patinat în spectacole și continuă să facă acest lucru. În septembrie 2015, și-au reînnoit tradiția de lungă durată de a patina într-o expoziție caritabilă în Boston, Massachusetts, numită „Evening with Champions”.
Belousova și Protopopopov au contribuit la dezvoltarea patinajului pe perechi, inclusiv prin introducerea a trei spirale ale morții – înapoi în interior (BIDS), înainte în interior (FIDS) și înainte în exterior (FODS), pe care le-au numit spirala cosmică, spirala vieții și, respectiv, spirala iubirii. Dick Button a declarat: „Protopopovii sunt mari patinatori nu numai pentru că au fost cei mai buni campioni olimpici, ci și pentru că impactul lor creativ a fost extraordinar.”
.