Protopopov började åka skridskor relativt sent, vid 15 års ålder, och tränades av Nina Lepninskaya. År 1951 blev han inkallad till den baltiska flottan men använde varje ledighet till att åka skridskor. Hans första partner var Margarita Bogoyavlenskaya, med vilken han vann silvermedaljen vid de sovjetiska mästerskapen 1953.
Protopopov träffade Ludmila Belousova våren 1954 i Moskva. Hon flyttade till Leningrad 1955 och började träna med Protopopov 1956 efter hans avsked. 1956 tränade de i VSS Lokomotiv och tävlade internationellt för Sovjetunionen. Belousova och Protopopov tränades först av Igor Moskvin och sedan av Pjotr Orlov, men skilde sig från Orlov efter ett antal meningsskiljaktigheter. Paret tränade sedan utan tränare på en rink i Voskresensk i Moskvas oblast. År 1961 bestämde de sig för att arbeta med Stanislav Zhuk för att höja sina tekniska svårigheter.
Belousova och Protopopov debuterade i världsmästerskapen 1958 och slutade på 13:e plats. Två år senare tävlade de vid sina första olympiska spel och placerade sig på en nionde plats. År 1962 tog de sig för första gången upp på VM-podiet och vann silvermedaljen. De var det första paret från Sovjetunionen eller Ryssland som vann en världsmedalj sedan disciplinen infördes vid världsmästerskapen 1908 (då endast tre par tävlade). De vann också silver vid Europamästerskapen och blev därmed det andra sovjetiska paret att vinna medaljer efter Nina Zhuk/Stanislav Zhuk (som vann silver 1958-1960).
Belousova och Protopopovs första stora internationella guldmedalj kom vid de olympiska vinterspelen 1964. Det var det första olympiska parguldet för Sovjetunionen. Belousova och Protopopov inledde den fyrtioåriga sovjetiska/ryska guldmedaljserien i paråkning, den längsta i olympisk idrottshistoria, från 1964 till 2006.
Belousova och Protopopov vann sina första världs- och Europaguld 1965, och blev därmed också det första sovjetiska/ryska paret att vinna dessa titlar.
De blev olympiska mästare för andra gången vid de olympiska vinterspelen 1968. Vid 32 respektive 35 års ålder var de bland de äldsta mästarna i konståkning.
Säsongen därpå vann de silver vid Europamästerskapen och brons vid världsmästerskapen när Irina Rodnina inledde sitt regeringsinnehav tillsammans med sin första partner, Alexei Ulanov. Det var parets sista framträdanden vid stora internationella tävlingar, men de skulle fortsätta att tävla inom Sovjetunionen fram till 1972.
Totalt vann Belousova och Protopopov två olympiska titlar och vann även medaljer åtta gånger vid både världs- och Europamästerskapen, inklusive fyra raka VM- och EM-guldmedaljer. Efter att ha dragit sig tillbaka från tävlingarna åkte de skridskor i shower och fortsätter att göra det. I september 2015 förnyade de sin långa tradition av att åka skridskor i en välgörenhetsutställning i Boston, Massachusetts, kallad ”Evening with Champions”.
Belousova och Protopopov bidrog till utvecklingen av parskridskoåkning, bland annat genom att introducera tre dödsspiraler – bakåt inåt (BIDS), framåt inåt (FIDS) och framåt utåt (FODS), som de döpte till den kosmiska spiralen, livsspiralen respektive kärleksspiralen. Dick Button förklarade följande: ”Protopopovs är stora skridskoåkare inte bara för att de var de bästa olympiska mästarna, utan också för att deras kreativa inverkan var extraordinär.”