Protopopov et Belousova se sont rencontrés à Moscou en 1954. Ils se sont entraînés à Leningrad. Ils ont participé à des compétitions internationales pour l'Union soviétique. Leur premier entraîneur était Igor Moskvin. Leur deuxième entraîneur était Petr Orlov. Après quelques désaccords, ils ont quitté Orlov. Ils se sont ensuite entraînés sans entraîneur sur une patinoire à Voskresensk, dans l'oblast de Moscou. En 1961, ils ont décidé de travailler avec Stanislav Zhuk pour relever leur difficulté technique.
La première compétition des Protopopovs a eu lieu lors des championnats du monde de 1958. Ils ont terminé à la 13e place. Aux Jeux olympiques d'hiver de 1960, ils ont terminé à la 9e place. En 1962, ils ont remporté la médaille d'argent aux Championnats du monde. Ils ont été la première paire de l'Union soviétique ou de la Russie à remporter une médaille mondiale dans leur sport. Ils ont également remporté l'argent aux Championnats d'Europe de patinage artistique de 1962.
Les "Protopopovs" ont remporté leur première grande médaille d'or internationale aux Jeux olympiques d'hiver de 1964. C'était la première médaille d'or olympique en couple pour l'Union soviétique. De ces Jeux olympiques aux Jeux olympiques d'hiver de 2006, seuls les patineurs soviétiques/russes ont remporté des médailles d'or en patinage en couple. Ce fut la plus longue série de l'histoire olympique.
Les Protopopov ont remporté leurs premières médailles d'or mondiales et européennes en 1965. Ils ont été le premier couple soviétique/russe à les remporter.
Ils ont remporté la médaille d'or olympique pour la deuxième fois aux Jeux olympiques d'hiver de 1968. À 32 et 35 ans, ils étaient parmi les plus anciens champions de patinage artistique.
En 1969, ils ont remporté la médaille d'argent aux championnats d'Europe et la médaille de bronze aux championnats du monde. Ce furent leurs dernières grandes compétitions internationales. Ils ont continué à participer à des compétitions en Union soviétique jusqu'en 1972. Après s'être retirés de la compétition, ils ont patiné dans des spectacles jusqu'à l'âge de soixante-dix ans.
Les Protopopovs ont contribué au développement du patinage en couple. Ils ont créé trois sortes de mouvements de patinage artistique appelés "spirale de la mort". Dick Button a déclaré : "Les Protopopov sont de grands patineurs non seulement parce qu'ils étaient les meilleurs des champions olympiques, mais aussi parce que leur impact créatif était extraordinaire".
