Sukcesy na lodzie odnosił wspólnie ze swoją wieloletnią partnerką, a późniejszą żoną, Ludmiłą Biełousową, z którą zaczął występować od roku 1954. Razem zapoczątkowali nową erę w łyżwiarstwie figurowym. Wymyślili i jako pierwsi wykonali wiele elementów, które później znalazły się w obowiązkowym programie zawodów łyżwiarzy figurowych na całym świecie.
Stworzyli romantyczny styl, charakteryzujący się wolnymi, dostojnymi ruchami, który nawiązywał do baletu rosyjskiego. Razem z Biełousową są uznawani za ikony łyżwiarstwa figurowego – wnieśli do niego swój artystyczny, oryginalny styl. Zapoczątkowali trzy nowe odmiany "spirali śmierci", nazywanej początkowo "kosmiczną spiralą".
Protopopow i Biełousowa zostali mistrzami igrzysk olimpijskich w Innsbrucku (1964) i Grenoble (1968). Para cztery razy z rzędu zdobyła złoto na mistrzostwach świata (1965-1968) i mistrzostwach Europy (1965-1968). Trzykrotnie zdobyli także srebro na MŚ i czterokrotnie srebro na ME.
Małżeństwo do późnych lat było aktywne zawodowo. We wrześniu 2015 roku 83-letni Oleg Protopopow i 79-letnia Ludmiła Biełousowa wystąpili w Stanach Zjednoczonych, dając pokaz w ramach "Wieczoru mistrzów".