Protopopov și Belousova s-au întâlnit la Moscova în 1954. S-au antrenat la Leningrad. Au concurat la nivel internațional pentru Uniunea Sovietică. Primul lor antrenor a fost Igor Moskvin. Al doilea antrenor a fost Petr Orlov. După unele neînțelegeri, l-au părăsit pe Orlov. Apoi s-au antrenat fără antrenor la un patinoar din Voskresensk, regiunea Moscovei. În 1961, au decis să lucreze cu Stanislav Zhuk pentru a-și ridica dificultatea tehnică.
Prima competiție a Protopopopovilor a fost la Campionatele Mondiale din 1958. Ei au terminat pe locul 13. La Jocurile Olimpice de iarnă din 1960, au terminat pe locul 9. În 1962, au câștigat medalia de argint la Campionatele Mondiale. Ei au fost prima pereche din Uniunea Sovietică sau Rusia care a câștigat o medalie mondială în sportul lor. De asemenea, au câștigat argintul la Campionatele Europene de patinaj artistic din 1962.
Protopopopulii au câștigat prima lor medalie de aur internațională importantă la Jocurile Olimpice de iarnă din 1964. A fost prima medalie olimpică de aur în perechi pentru Uniunea Sovietică. De la această ediție a Jocurilor Olimpice și până la Jocurile Olimpice de iarnă din 2006, doar patinatorii sovietici/ruși au câștigat medalii de aur la patinaj pe perechi. Aceasta a fost cea mai lungă serie din istoria olimpică.
Protopopopulii au câștigat primele lor medalii de aur mondiale și europene în 1965. Ei au fost prima pereche sovietică/rusă care le-a câștigat.
Au câștigat pentru a doua oară medaliile de aur olimpice la Jocurile Olimpice de iarnă din 1968. La 32 și 35 de ani, au fost unii dintre cei mai în vârstă campioni din patinajul artistic.
În 1969, au câștigat medalia de argint la Campionatele Europene și medalia de bronz la Campionatele Mondiale. Acestea au fost ultimele lor competiții internaționale majore. Au continuat să concureze în cadrul Uniunii Sovietice până în 1972. După ce s-au retras din competiții, au patinat în spectacole până la vârsta de 70 de ani.
Protopopopovii au contribuit la dezvoltarea patinajului pe perechi. Ei au creat trei tipuri de mișcări de patinaj artistic numite "spirala morții". Dick Button a spus: "Protopopopovii sunt mari patinatori nu numai pentru că au fost cei mai buni campioni olimpici, ci și pentru că impactul lor creativ a fost extraordinar".