Protopopov e Belousova si sono incontrati a Mosca nel 1954. Si sono allenati a Leningrado. Hanno gareggiato a livello internazionale per l'Unione Sovietica. Il loro primo allenatore fu Igor Moskvin. Il loro secondo allenatore era Petr Orlov. Dopo alcuni disaccordi, lasciarono Orlov. Si sono poi allenati senza allenatore in una pista a Voskresensk, Mosca Oblast. Nel 1961, decisero di lavorare con Stanislav Zhuk per aumentare la loro difficoltà tecnica.
La prima competizione dei Protopopov fu ai campionati mondiali del 1958. Finirono al 13° posto. Alle Olimpiadi invernali del 1960, finirono al 9° posto. Nel 1962, hanno vinto la medaglia d'argento ai Campionati del Mondo. Furono la prima coppia dell'Unione Sovietica o della Russia a vincere una medaglia mondiale nel loro sport. Hanno anche vinto l'argento ai campionati europei di pattinaggio di figura del 1962.
I Protopopov hanno vinto la loro prima grande medaglia d'oro internazionale alle Olimpiadi invernali del 1964. Fu il primo oro olimpico a coppie per l'Unione Sovietica. Da queste Olimpiadi alle Olimpiadi invernali del 2006, solo i pattinatori sovietici/russi hanno vinto medaglie d'oro nel pattinaggio a coppie. Questa è stata la striscia più lunga nella storia delle Olimpiadi.
I Protopopov hanno vinto le loro prime medaglie d'oro mondiali ed europee nel 1965. Sono stati la prima coppia sovietica/russa a vincerle.
Hanno vinto le medaglie d'oro olimpiche per la seconda volta alle Olimpiadi invernali del 1968. A 32 e 35 anni, erano tra i più vecchi campioni del pattinaggio di figura.
Nel 1969 vinsero la medaglia d'argento ai campionati europei e la medaglia di bronzo ai campionati mondiali. Queste furono le loro ultime grandi competizioni internazionali. Continuarono a gareggiare in Unione Sovietica fino al 1972. Dopo essersi ritirati dalle competizioni, hanno pattinato in spettacoli fino a settant'anni.
I Protopopov hanno contribuito allo sviluppo del pattinaggio a coppie. Hanno creato tre tipi di mossa di pattinaggio di figura chiamata "spirale della morte". Dick Button ha detto: "I Protopopov sono grandi pattinatori non solo perché sono stati i migliori campioni olimpici, ma anche perché il loro impatto creativo è stato straordinario".
