Yaroslav Popovych devient professionnel en 2002 dans l'équipe belge Landbouwkrediet-Colnago, avec laquelle il se révèle sur le Tour d'Italie, terminant douzième en 2002, troisième en 2003 et cinquième en 2004.
Discovery Channel (2005-2007)
En 2005, Yaroslav Popovych est recruté pour trois ans[5] par l'équipe américaine Discovery Channel, dont le leader est Lance Armstrong, alors vainqueur des six derniers Tours de France. Johan Bruyneel, qui dirige cette équipe, voit en Popovych un vainqueur du Tour de France potentiel, « [ayant] toutes les qualités pour gagner une grande course à étapes »[6]. Après avoir remporté le Tour de Catalogne 2005, il réussit un bon Tour de France 2005, où il aide son leader américain à remporter son septième et dernier Tour et obtient le maillot blanc de meilleur jeune.
En 2006, Armstrong arrêtant sa carrière, Popovych est appelé à devenir un des leaders de l'équipe[7],[8]. Comme les autres coureurs de Discovery Channel, il n'est pas à hauteur des attentes placées en lui lors du Tour de France 2006, malgré l'éviction de plusieurs favoris à la suite de l'affaire Puerto. Distancé en montagne, il finit à la 24e place et remporte néanmoins une étape à Carcassonne[9].
En début d'année 2007, il gagne une étape du Paris-Nice. Après une campagne de classiques ardennaises où on l'a souvent vu à l'attaque mais trop limité sur ces parcours vallonnés pour lutter avec les meilleurs[réf. souhaitée], il est désigné leader de l'équipe pour le Tour d'Italie 2007, à la suite de la non-participation de celui qui devait être son leader, Ivan Basso[10]. Mais victime de deux chutes, Popovych est contraint à un abandon au soir de la douzième étape[11].
En juillet, il dispute le Tour de France, où le leader désigné de Discovery Channel est Levi Leipheimer[12]. C'est finalement son coéquipier Alberto Contador, attendu au classement du meilleur jeune[13], qui remporte cette « grande boucle ». Popovych est huitième du classement général et prend part à la victoire de Discovery Channel au classement par équipes.
À la suite de la disparition de la formation Discovery Channel, il s'engage en 2008 pour l'équipe Silence-Lotto.
Silence-Lotto (2008)
Sa saison débute bien à Paris-Nice, où il termine à la troisième place du classement général. Il attaque notamment au Col d'Èze, la dernière difficulté de Paris-Nice pour reprendre du terrain sur Davide Rebellin, le maillot jaune. Mais le reste de sa saison sera très difficile, avec une 24e place sur le Tour de France, et une 52e place au tour d'Espagne. Mais surtout, il n'a pas pu aider Cadel Evans à remporter le Tour de France, ce pourquoi il a été embauché[14]. Il est donc remercié à la fin de l'année et rejoint l'équipe Astana, dirigée par Johan Bruyneel, ex directeur sportif de Discovery Channel et où il retrouve ses ex coéquipiers, notamment Alberto Contador, Lance Armstrong, Levi Leipheimer[15].
Astana (2009)
Il participe alors, au mois de juillet 2009, au Tour de France au sein de l'équipe kazakh Astana. Équipier des leaders Alberto Contador (vainqueur du Tour 2007), Lance Armstrong (recordman des victoires sur la Grande Boucle, depuis toutes annulées pour dopage avéré), Andreas Klöden (deux fois sur le podium à Paris) et Levi Leipheimer (3e du Tour 2007), il contribue à la victoire de l'Espagnol dans cette édition du Tour de France. Son aide permettra également à son équipe d'obtenir la troisième place du podium avec l'américain Lance Armstrong (place désormais annulée) ainsi qu'une victoire sur le classement par équipes. Il finit ce Tour de France en 41e position avec une victoire obtenue dans le contre-la-montre par équipes situé autour de la ville de Montpellier.
RadioShack puis Trek (2010-2016)
En 2010, Popovych rejoint la nouvelle équipe Team RadioShack, créée par Lance Armstrong et son entourage, et composée essentiellement d'anciens membres de l'équipe Astana, tant parmi les coureurs que dans son encadrement. Il participe au Tour de France, dont RadioShack gagne le classement par équipes. En 2011, Popovych prend part aux Giro et au Tour de France, qu'il quitte fiévreux[16]. En novembre, Popovych fait l'objet d'un raid par les autorités italiennes. Il a été allégué que des substances interdites et d'autres éléments de preuve incriminant ont été trouvés, mais l'avocat du coureur a nié ces faits[17].
En 2012, l'équipe RadioShack fusionne avec l'équipe luxembourgeoise Leopard-Trek et devient RadioShack-Nissan. Jusqu'alors spécialisé dans les courses à étapes[18], Popovych doit désormais épauler Fabian Cancellara lors des classiques flandriennes[19]. Il est ainsi à ses côtés lors du triplé Grand Prix E3-Tour des Flandres-Paris-Roubaix en 2013[20]. En 2012, Popovych participe au Tour de France, et aux championnats du monde sur route. Avec RadioShack, il est huitième du premier championnat du contre-la-montre par équipes de marques. En 2013, il est neuvième de Gand-Wevelgem, et dispute les Tours d'Italie et d'Espagne. Il participe ainsi à la victoire de son coéquipier Christopher Horner, qui devient à 41 ans le plus vieux vainqueur d'un grand tour. Aux championnats du monde sur route à Florence, il prend la cinquième place du contre-la-montre par équipes avec ses coéquipiers de RadioShack-Leopard.
Après ses performances au Tour d'Italie en début de carrière, Yaroslav Popovych est considéré comme un possible futur vainqueur du Tour de France, appelé à devenir « l'une des stars du cyclisme »[26]. Au fil des ans, il s'est cependant davantage fait apprécier en tant qu'équipier que leader. Ainsi Johan Bruyneel, qui l'a dirigé durant la majeure partie de sa carrière[27], dit de lui en 2012 : « Il y a peu de gars aussi forts et loyaux que « Popo » dans le peloton. Il est toujours là lorsque l'on a besoin de lui et est devenu un des piliers de l'équipe[28]. » Pour Dirk Demol, un autre de ses directeurs sportifs, « Popovych a toujours été un équipier modèle. [...] Il excelle véritablement dans le placement et sait ainsi comment positionner son homme fort au mieux au pied d’un secteur clé ou d’une difficulté[18]. »
