Protopopov começou a patinar relativamente tarde, aos 15 anos, e foi treinado por Nina Lepninskaya. Em 1951, ele foi recrutado para a Frota do Báltico, mas usava cada licença para patinar. O seu primeiro parceiro foi Margarita Bogoyavlenskaya, com quem ganhou a medalha de prata no Campeonato Soviético de 1953.
Protopopov conheceu Ludmila Belousova na Primavera de 1954 em Moscovo. Ela mudou-se para Leningrado em 1955 e começou a treinar com Protopopov em 1956, após a sua dispensa. Eles treinaram na VSS Lokomotiv e competiram internacionalmente pela URSS. Belousova e Protopopov foram treinados inicialmente por Igor Moskvin e depois por Pyotr Orlov, mas se separaram de Orlov após uma série de desentendimentos. A dupla então treinou sem treinador em um rinque em Voskresensk, Moscou Oblast. Em 1961, eles decidiram trabalhar com Stanislav Zhuk para aumentar sua dificuldade técnica.
Belousova e Protopopov estrearam no Campeonato do Mundo em 1958, terminando em 13º. Dois anos mais tarde competiram nas suas primeiras Olimpíadas, ficando em 9º lugar. Em 1962, chegaram ao pódio do Campeonato do Mundo pela primeira vez, ganhando a medalha de prata. Foram o primeiro par da União Soviética ou da Rússia a ganhar uma medalha mundial desde a introdução da disciplina no Campeonato Mundial de 1908 (que teve apenas três pares competindo). Eles também ganharam prata no Campeonato Europeu, tornando-se o segundo par soviético a ganhar medalhas depois de Nina Zhuk / Stanislav Zhuk (que ganhou prata de 1958 a 1960).
Belousova e a primeira grande medalha de ouro internacional do Protopopov veio nos Jogos Olímpicos de Inverno de 1964. Foi a primeira medalha de ouro dos pares olímpicos para a União Soviética. Belousova e Protopopov iniciaram a série de quarenta anos da medalha de ouro soviética e russa em patinação de pares, a mais longa da história do esporte olímpico, de 1964 a 2006.
Belousova e Protopopov ganharam suas primeiras medalhas de ouro mundiais e européias em 1965 e, ao fazê-lo, também se tornaram o primeiro par soviético/russo a ganhar esses títulos.
Tornaram-se campeões olímpicos pela segunda vez nos Jogos Olímpicos de Inverno de 1968. Aos 32 e 35 anos, respectivamente, estavam entre os mais antigos campeões em patinagem artística.
Na temporada seguinte, conquistaram a medalha de prata no Campeonato Europeu e o bronze no Campeonato Mundial, quando Irina Rodnina começou seu reinado com seu primeiro parceiro, Alexei Ulanov. Essas foram as participações finais da dupla em grandes competições internacionais, mas continuariam a competir na União Soviética até 1972.
No total, Belousova e Protopopov ganharam dois títulos olímpicos e também ganharam oito medalhas tanto no Campeonato Mundial como no Europeu, incluindo quatro medalhas de ouro consecutivas no Mundial e na Europa. Depois de se retirarem da competição, patinaram em exposições e continuam a fazê-lo. Em setembro de 2015, eles renovaram sua longa tradição de patinar em uma exposição beneficente em Boston, Massachusetts, chamada “Evening with Champions”.
Belousova e Protopopov contribuíram para o desenvolvimento da patinação de pares, incluindo a introdução de três espirais de morte – a espiral para trás (BIDS), para frente (FIDS) e para fora (FODS), que eles chamaram de espiral Cósmica, Espiral da Vida e Espiral do Amor, respectivamente. Dick Button declarou: “Os Protopopovs são grandes patinadores não só porque foram os melhores dos campeões olímpicos, mas também porque o seu impacto criativo foi extraordinário.”